Чому потрібно видалити металеву опорну структуру для 3D-друку?

1. Основна робота опорних конструкцій і як вони змінювалися з часом
Фізичні бар'єри для контролю термодинаміки
Під час процесу 3D-друку на металі лазерні або електронні промені створюють дуже високі температури (понад 2000 градусів) у невеликих місцях, завдяки чому матеріал дуже швидко перетворюється з рідкого стану на твердий. У цьому процесі опорна конструкція служить двом цілям. По-перше, будучи теплопровідним середовищем, він швидко переміщує тепло від підвішеної зони до підкладки, що запобігає накопиченню залишкової напруги внаслідок локального перегріву. По-друге, обмежуючи потік металу, він запобігає руйнуванню розплавленої ванни під дією сили тяжіння. Наприклад, під час друку робочого колеса з титанового сплаву опорна конструкція може зменшити теплову напругу на 60%, коли кут підвіски менше 45 градусів. Це знижує швидкість деформації деталей від 32% до менш ніж 5%.
Неминучий результат ітерації процесу
Ранні металеві машини для 3D-друку потребували багатьох опорних структур, оскільки вони не могли добре керувати щільністю енергії. Сучасні пристрої SLM можуть забезпечити «адаптивну підтримку», динамічно змінюючи щільність потужності лазера завдяки розробці технологій моделювання мульти-фізичного зв’язку. Пристрій LiM-X260A від Leiming Laser, наприклад, успішно надрукував підвісні конструкції без будь-якої опори під малими кутами 5 градусів -35 градусів за допомогою оптимізованих алгоритмів сканування. Це скоротило кількість необхідних допоміжних матеріалів на 78%. Але ця технологія все ще корисна лише для певних типів матеріалів і форм.
2. Небезпечні дефекти все ще присутні в несучій конструкції
Невидимі вбивці властивостей матеріалу
Інтерфейс матеріалу несучої конструкції та друкуючого корпусу дуже відрізняється один від одного з точки зору того, як вони організовані. Під час друку з нержавіючої сталі 316L на стику між опорою сітки та твердим тілом можуть утворюватися великі стовпчасті кристали. Це робить ділянку на 15–20% м’якшою та на 40% менш міцною. Ефект «маленького анода, великого катода» залишків підтримки може спричинити електрохімічну корозію, яка дуже шкідлива для таких важливих частин, як турбінні диски авіаційних двигунів, оскільки пришвидшує швидкість корозії в 3-5 разів.
Шкідливий вплив на точність форм
Точка контакту між несучою конструкцією та поверхнею компонента створює перехідний шар товщиною від 0,1 до 0,3 мм. Цей шар, імовірно, матиме дефекти поверхні, якщо його видалити механічним шляхом. Наприклад, паливна форсунка від GE Aviation має внутрішній проточний канал діаметром лише 2 мм. За наявності залишкової опори секція потокового каналу може вигнутися більш ніж на 8%, що безпосередньо впливає на ефект розпилення палива. Навіть за-сучасних методів, таких як електрохімічне розчинення, локалізована корозія на рівні 0,05 мм все одно може виникнути, якщо щільність струму розподіляється нерівномірно.
Слабке місце контролю витрат
Вартість матеріалу для виготовлення несучої конструкції становить приблизно 12-18% від загальної вартості металевого 3D-друку. Вартість високотемпературних-сплавів на основі нікелю становить понад 2000 доларів США за кілограм, а викидати зайві матеріали — надто важко. Витрати на оплату праці на етапі -після обробки викликають набагато більше занепокоєння, оскільки вони можуть становити від 25% до 30%. На автоматизованій виробничій лінії BMW IDAM людям все ще доводиться допомагати з процесом видалення, що стало головним вузьким місцем, яке перешкоджає автоматизації всього процесу.
3. Прориви та проблеми з технологією, яка допомагає при видаленні
Революція в точному механічному видаленні
Є дві основні проблеми з традиційними механічними процесами, такими як різання дроту та фрезерування: по-перше, їх важко отримати через складну структуру внутрішньої порожнини, а по-друге, ними важко керувати на мікрометричному рівні. Роботизована система NetShape від Rivelin Robotics може регулювати контактне зусилля з точністю до 0,1 Н за допомогою алгоритму керування зворотним зв’язком. При використанні з системою 3D-візуального позиціонування він може автоматично знаходити та видаляти залишки опори, що робить поверхню більш гладкою (від Ra6,3 мкм до Ra1,6 мкм) і прискорює обробку в 10 разів.
Вибірковий прорив у хімічному травленні
Технологія видалення з електрохімічною підтримкою, розроблена Університетом штату Арізона, забезпечує вибіркове розчинення шляхом створення поля диференціального потенціалу. У системі з нержавіючої сталі 304/вуглецевої сталі комбінація 41% розчину азотної кислоти та кисню може повністю видалити опору з вуглецевої сталі товщиною 7 мм за 6 годин. Він також підтримує швидкість корозії основи з нержавіючої сталі нижче 0,002 мм/год. Цю технологію використовували для виготовлення медичних імплантатів, завдяки чому час, необхідний для видалення опори, скоротився з 48 до 8 годин.
Використання інтелектуальних алгоритмів для прогнозування того, як покращити речі
Бельгійський стартап Materialize створює програмне забезпечення під назвою Magics, яке може використовувати моделі машинного навчання для автоматичного створення найкращих структур підтримки. Система вивчає 100 000 наборів технологічних даних і може спрогнозувати, як термічне навантаження поширюватиметься на різні форми. Він також може самостійно змінювати щільність опори та площу контакту. Під час друку певної частини конструкції літака оптимізований метод підтримки скоротив використання матеріалу на 42% і час-обробки на 65%.