Är det svårt att stödja komplexa strukturer genom 3D-utskrift av metall?

一, behovet av stöd: tryckeriets dubbel-svärd med en komplex struktur
I 3D-utskrift av metall tjänar den stödjande strukturen många syften:
Mekaniskt stöd: för att förhindra att upphängda konstruktioner faller eller ändrar form medan de trycks på grund av gravitation eller värme. Till exempel, om flygplansmotorblad inte har stöd, kan deras tunna väggar böjas under stelningsstadiet av smältbassängen.
Termisk hantering: Förflyttning av värme genom stödjande strukturer för att förhindra att lokala temperaturskillnader blir för stora och för att förhindra att kvarvarande stress byggs upp. Till exempel, vid utskrift av titanlegeringsimplantat, kan stödet stoppa mikrosprickor från att bildas när materialet svalnar för snabbt.
Processens stabilitet: I pulverbäddssmältningstekniken håller det stödjande ramverket delarna på plats så att de inte rör sig när pulvret rinner eller skrapan träffar dem.
Men det finns också stora problem med att ha bärande strukturer:
Slöseri med material: Mängden stödmaterial kan utgöra 30 % till 50 % av delarnas totala vikt, och det är svårt att återvinna dem alla.
Kostnad för efter-bearbetning: Att ta bort stöd med maskiner kräver mycket arbete och kan skada bitarnas ytor. Till exempel behöver medicinska implantat poleras mer efter att de har installerats för att uppfylla biokompatibilitetsstandarder.
Begränsningar i design: Traditionella stödsystem behöver en upphängningsvinkel på mer än 45 grader, vilket gör det svårt att använda nya konstruktioner som komplicerade interna flödeskanaler och gallerstrukturer.
2, Teknisk utmaning: Testa egenskaperna hos material och komplexiteten hos strukturer på samma gång
1. Skillnader i materialens egenskaper gör det svårare att stödja
De fysikaliska och kemiska egenskaperna hos olika metallmaterial påverkar i hög grad stödprocessen:
Titanlegering är mycket aktiv och reagerar lätt med syre och kväve för att bilda ett hårt, sprött lager. Den måste skyddas från inert gas när den inte används. Till exempel, när du stöder Ti6Al4V tryckta delar, bör mängden syre hållas under 50 ppm, annars kan de fatta eld på egen hand.
Rostfritt stål är mycket motståndskraftigt mot rost och kan rengöras med kemikalier eller en vattenstråle med högt-tryck. När du blötlägger 316L rostfria blad i alkaliska rengöringslösningar och använder ultraljudsrengöring kan du bli av med 99,5 % av pulvret.
Aluminiumlegering har en låg smältpunkt och kommer sannolikt att ändra form när den rengörs med typiska vibrationsrengöringsmetoder. För att ta bort stöd från AlSi10Mg-utskriften måste du använda CO₂-snöjetteknik, som fungerar genom att träffa fasta partiklar vid en låg temperatur på -78,5 grader utan att orsaka termisk stresskoncentration.
2. Att göra strukturer mer komplexa för att göra saker svårare
Komplexa arkitekturer kräver höga krav på processer som inte stöds:
Porös struktur: Det porösa lagret i ortopediska implantat är vanligtvis mindre än 3 mm tjockt och mängden pulver som blir över bör vara mindre än 0,1 mg/cm ². Ett visst medicinskt företag använder vakuumadsorptionsteknik och 360-graders roterande fixturer för att få en pulveråtervinningsgrad på 98,7%.
Tunn-väggig struktur: Om väggtjockleken på flygmotorbladet är mindre än eller lika med 1 mm, behöver det mekanisk spänningsreglering för att stanna på plats. GE använder pulveravlägsnande vid låg-temperatur (kylning med flytande kväve vid -196 grader) tillsammans med åldersbehandling för att sänka kvarvarande stress till mindre än 50 MPa och förhindra att sprickor bildas.
Struktur av den inre kaviteten: För att ta ut det interna kavitetsstödet på turbinskivan måste specialverktyg tillverkas. En specifik turbinskivmodell har en löstagbar kärnaxel som använder centrifugalkraft för att trycka ut pulver och laminärt luftflöde (0,5m/s) för att blåsa längs ytan, vilket uppfyller renhetskraven för den inre kammaren.
3, Nya idéer: Från att göra processer bättre till smart design
1. Utskriftsteknik utan tillsyn går runt gränserna för traditionellt tryck.
Vissa komplicerade strukturer har kunnat skriva ut utan stöd genom att justera utskriftsbanan och pulvrets egenskaper:
Formning med liten vinkel utan stöd: LiM-X260A-utrustningen tillverkad av Leiming Laser kan skriva ut titanlegeringskomponenter som är 5 grader till 35 grader upphängda genom att optimera laserenergitätheten och skanningsmetoden. Delarna har en densitet på 99,9%.
Intelligent vägplanering: Det taktiska teamet vid China Academy of Launch Vehicle Technology ändrade pulverpartikelstorleksfördelningen (D50=45 μm) och laserskanningshastigheten (800 mm/s). De använde också simulering av spänningsfördelning för att möjliggöra ostödd utskrift av komplexa raketkabinstrukturer. Ytnoggrannheten nådde millimeternivå och behovet av efterbearbetning minskade med 60 %.
2. Den förbättrade stödstrukturen gör det lättare att ta av.
Lösbart stöd: Arizona State University har kommit på ett sätt att ta bort elektrokemiskt stöd genom att trycka stöd av kolstål på delar av rostfritt stål och använda salpetersyralösning för att selektivt erodera kolstålet. Det 7 mm tjocka stödet kan tas av helt på mindre än 6 timmar utan att skada bitarnas yta.
Design av sprickpunkten: Lägg till timglasformade-sprickpunkter i den bärande strukturen och använd förinställda-spänningskoncentrationsplatser för att styra sprickan. Till exempel har en del av en bil ett tand-format stöd som enkelt kan tas bort med bara lite kraft. Skadan på ytan är mindre än 0,05 mm djup.
3. Simuleringsoptimering gör stöd mindre nödvändigt.
Processsimuleringsverktyg, som VoxelDance Engineering, kan ta reda på hur värmestressen kommer att spridas under utskrift och göra supportkonfigurationen bättre. Till exempel minskade en stängd impellermodell mängden stöd som behövs med 60 % genom simulering, minskade utskriftstiden till 50 timmar och minimerade risken för en skrapakollision.