Чи важко підтримувати складні конструкції за допомогою металевого 3D-друку?

一, Потреба в підтримці: двосічний меч друку зі складною структурою
У металевому 3D-друкі опорна конструкція служить багатьом цілям:
Механічна підтримка: запобігає падінню підвішених конструкцій або зміні форми під час друку під дією сили тяжіння чи тепла. Наприклад, якщо лопаті авіадвигуна не мають опори, їх тонкі стінки можуть зігнутися під час стадії затвердіння ванни розплаву.
Управління температурою: переміщення тепла через опорні конструкції для запобігання надто великій місцевій температурній різниці та запобіганню накопиченню залишкової напруги. Наприклад, під час друку імплантатів із титанового сплаву опора може зупинити утворення мікротріщин, коли матеріал занадто швидко охолоджується.
Стабільність процесу: у технології плавлення порошкового шару опорний каркас утримує деталі на місці, щоб вони не рухалися, коли порошок тече або скребок вдаряється по них.
Але є також великі проблеми з опорними конструкціями:
Відходи матеріалів: кількість допоміжних матеріалів може становити від 30% до 50% від загальної ваги деталей, і їх усі важко переробити.
Вартість подальшої-обробки: видалення опори за допомогою машин вимагає багато роботи та може пошкодити поверхні деталей. Наприклад, медичні імплантати потрібно більше полірувати після встановлення, щоб відповідати стандартам біосумісності.
Обмеження в конструкції: для традиційних опорних систем потрібен кут підвіски більше 45 градусів, що ускладнює використання нових конструкцій, таких як складні внутрішні канали потоку та гратчасті конструкції.
2, Технічне завдання: тестування характеристик матеріалів і складності конструкцій одночасно
1. Різниця в характеристиках матеріалів ускладнює підтримку
Фізичні та хімічні якості різних металевих матеріалів значною мірою впливають на процес підтримки:
Титановий сплав дуже активний і легко реагує з киснем і азотом, утворюючи твердий крихкий шар. Його потрібно захищати від інертного газу, коли він не використовується. Наприклад, якщо використовувати друковані деталі з Ti6Al4V, кількість кисню повинна бути нижче 50 частин на мільйон, інакше вони можуть спалахнути самостійно.
Нержавіюча сталь дуже стійка до іржі, тому її можна чистити хімічними засобами або струменем води під високим{0}}тиском. Якщо ви замочуєте леза з нержавіючої сталі 316L у лужних миючих розчинах і використовуєте ультразвукове очищення, ви можете позбутися 99,5% порошку.
Алюмінієвий сплав має низьку температуру плавлення та, ймовірно, змінить форму під час очищення типовими методами вібраційного очищення. Щоб усунути опору з друку AlSi10Mg, вам потрібно застосувати технологію снігового струменю CO₂, яка працює шляхом удару твердих частинок при низькій температурі -78,5 градусів, не спричиняючи концентрації теплового стресу.
2. Створення структур більш складними, щоб зробити речі складнішими
Складні архітектури вимагають підвищених вимог до непідтримуваних процесів:
Пориста структура: пористий шар в ортопедичних імплантатах зазвичай має товщину менше 3 мм, а кількість порошку, що залишився, має бути менше 0,1 мг/см². Певна медична компанія використовує технологію вакуумної адсорбції та пристосування, що обертаються на 360 градусів, щоб отримати ступінь відновлення порошку 98,7%.
Тонкостінна-конструкція: якщо товщина стінки лопаті авіаційного двигуна менше або дорівнює 1 мм, вона потребує регулювання механічної напруги, щоб залишатися на місці. GE використовує низько{3}}температурне видалення порошку (охолодження рідким азотом при -196 градусах) разом із обробкою старінням, щоб знизити залишкову напругу до менше ніж 50 МПа та зупинити утворення тріщин.
Будова внутрішньої порожнини: Щоб витягнути опору внутрішньої порожнини диска турбіни, необхідно виготовити спеціальні інструменти. Певна модель диска турбіни має знімний стрижень, який використовує відцентрову силу, щоб виштовхнути порошок, і ламінарний потік повітря (0,5 м/с) для обдування поверхні, що відповідає стандартам чистоти для внутрішньої камери.
3, Нові ідеї: від покращення процесів до розумного дизайну
1. Технологія друку без нагляду виходить за межі традиційного друку.
Деякі складні структури можуть друкувати без підтримки, регулюючи шлях друку та характеристики порошку:
Непідтримуване формування під малим кутом: обладнання LiM-X260A виробництва Leiming Laser може друкувати компоненти з титанового сплаву, підвішені під кутом від 5 до 35 градусів, завдяки оптимізації щільності лазерної енергії та методу сканування. Деталі мають щільність 99,9%.
Розумне планування траєкторії: тактична команда Китайської академії технологій ракет-носіїв змінила розподіл частинок порошку за розміром (D50=45 мкм) і швидкість лазерного сканування (800 мм/с). Вони також використовували моделювання розподілу напруги, щоб зробити можливим друк складних конструкцій кабіни ракети без підтримки. Точність поверхні досягла міліметрового рівня, а потреба в -обробці скоротилася на 60%.
2. Покращена опорна структура полегшує зліт.
Розчинна підкладка: Університет штату Арізона винайшов спосіб видалити електрохімічну підкладку, надрукувавши підкладки з вуглецевої сталі на деталях з нержавіючої сталі та використовуючи розчин азотної кислоти для вибіркового руйнування вуглецевої сталі. Підставку товщиною 7 мм можна повністю зняти менш ніж за 6 годин, не пошкоджуючи поверхню деталей.
Конструкція точки зламу: додайте точки зламу у формі-пісочного годинника до несучої конструкції та використовуйте-попередньо встановлені місця концентрації напруги, щоб керувати розломом. Наприклад, одна частина автомобіля має опору-у формі зуба, яку можна легко зняти, доклавши лише невеликої сили. Глибина пошкодження поверхні менше 0,05 мм.
3. Оптимізація моделювання робить підтримку менш необхідною.
Інструменти моделювання процесів, такі як VoxelDance Engineering, можуть визначити, як розподілятиметься тепловий стрес під час друку, і покращити конфігурацію підтримки. Наприклад, модель закритого робочого колеса зменшила необхідну опору на 60% завдяки моделюванню, скоротила час друку до 50 годин і мінімізувала ймовірність зіткнення скребка.