Tillsättning och borttagning av stöd har länge varit en utmaning under metalltillsatstillverkning (AM). Med direkt metalllasersintring (DMLS) som ett exempel måste modellen förinställas med stödstrukturer före utskrift för att undvika deformation orsakad av termisk stress och leda bort värme från den smälta poolen. Dessa fästen är en del av designen och tillverkningen som helhet. Efter konstruktionen demonterades stödkonstruktionen och kasserades. Utan stöd är det svårt att skriva ut fribärande strukturer under en viss lutningsvinkel (vanligtvis runt 45 grader), vilket ofta begränsar alternativen för användare av metall 3D-utskriftssystem, och ger även många OEM-tillverkare och mjukvaruföretag för additiv tillverkning. en stor utmaning.
För att lösa ovanstående problem har experter från EOS-företaget Additive Minds nu utvecklat olika processoptimeringstekniker för att producera 3D-printade delar utan stödstrukturer, såsom statorringar, hus, turbopumpar, oljetankar, värmeväxlare, ventiler och pumphjul, varav det stängda pumphjulet är ett av de mer typiska fallen. Genom optimerad designprogramvara och parameterpaket gör EOS det möjligt för användare att skriva ut konsoler och bryggor i lägre vinklar (ibland till och med noll), vilket kräver mycket färre eller inga stöd.
Ostödd additiv tillverkning sparar också mycket tid i efterbearbetningsskedet, eftersom inga ytterligare stöd behöver tas bort. Vid manuell borttagning frigör detta även medarbetarnas tid och energi för annat arbete. Att tillverka delar utan stödstruktur minskar också materialspill, eftersom ingenting slängs och alla aspekter av delen och stödkonstruktionen är nödvändiga. Detta är dock ingen lätt process, och experter och tillverkare av mjukvarudesign har arbetat med utmaningen med design som inte stöds i flera år.
I den här artikeln visas främst hur experterna på EOS använder den ostödda metoden för att konstruera impellern. Inkapslade eller höljda pumphjul används i många industrier och de varierar mycket i storlek, form, material och prestandakrav. Slutna pumphjul utsätts ofta för extrema förhållanden som höga rotationshastigheter, mycket korrosiva media och mekaniska belastningar orsakade av extrema temperaturer. Till exempel turbopumpapplikationer i rymdraketer, kompressionssystem i mikroturbiner och havsvattenpumpar i olje- och gastillämpningar.
Stöd designkrav i traditionell 3D-utskrift av metall
Att designa 3D-printade delar med stöd har varit en standardmetod för additiv tillverkning (AM). Antalet, storleken och placeringen av stöden bestäms av ett antal faktorer:
Kvarvarande spänningar under utskrift kan orsaka deformation av 3D-modellen. Stöd kan läggas till för att fysiskt förhindra denna deformation;
Avbrott i övermålaren som påverkar den mellanliggande konstruktionen av delen kan vibrera delen eller orsaka skada, vilket resulterar i ett misslyckat jobb. Fästen används för att skydda delarna från all påverkan från övermålaren;
Värmeöverföring genom stöd tillåter delar att svalna och formas snabbare och mer framgångsrikt under byggprocessen.
För att säkerställa att en 3D-skrivare bygger och framgångsrikt producerar delar måste en mängd olika orsaker som påverkar supportdesign övervägas, inklusive:
Delorienteringen avgör hur mycket av delen som behöver stödjas. Vanligtvis, om delarna är orienterade så att en större yta inte finns på byggplattan, krävs mer stöd för att kompensera för ovanstående faktorer.
Överhäng på 45 grader eller mindre anses generellt kräva stödkonstruktioner.
Kanaler och hål kan deformeras utan stöd, beroende på deras storlek och om de är ineffektivt orienterade.
Modelldesign
Beväpnad med rätt expertis och kreativa problemlösningsförmåga har teamet på EOS framgångsrikt utvecklat nya sätt att designa och bygga modeller, vilket krossat den förutfattade uppfattningen om "låga fall måste lägga till stöd", med utmärkta resultat. Impellern som används i den här artikeln för att demonstrera den ostödda strukturen och kapaciteten hos DMLS-processen designades av EOS Additive Minds med en diameter på 150 mm med 12 blad med överhängsvinklar ner till 10 grader.
Medlemmens lutningsriktning och stödstruktur
Impellers är vanligtvis tryckta i lutande riktning för att undvika inre stöd eftersom de är svåra att ta bort. Denna orientering resulterar dock vanligtvis i längre byggtider, ojämn ytkvalitet och delens rundhet blir lidande. Plan orientering erbjuder flera fördelar, såsom kortare byggtider, bättre rundhet och noggrannhet och en mer enhetlig ytkvalitet över delen. Låga överhäng kräver dock vanligtvis mycket stöd. För den nuvarande DMLS-processen måste större överhäng på mindre än 35 grader stödjas. Stöd krävs för att avleda värme från den smälta poolen för att kompensera för ombeläggningskrafter och inre delspänningar.
Designoptimering som inte stöds
EOS minskar avsevärt behovet av att lägga till internt stöd genom att utnyttja avancerade modelldesigntekniker. Designoptimeringen av den additiva tillverkningsprocessen är också en annan viktig aspekt som är relaterad till framgången med tryckning. Medan internt stöd främst kan undvikas genom att använda anpassade exponeringsstrategier, krävs fortfarande externa stödstrukturer.
I impellerfallet för denna artikel, istället för att använda fast fyllning, modifierades botten av delen genom att använda självbärande bågar och tunna väggar för att säkerställa en stark plattformsanslutning och förhindra deformation under konstruktionen. Detta tillåter användning av mindre material än konventionella stentar samtidigt som det ger hög hållfasthet och förbättrad bearbetbarhet. Ytterdiametern på pumphjulet är stängd för att ge större styvhet till delen när den byggs och för att förhindra förlust av geometrisk noggrannhet vid utloppskanten. För detta pumphjul möjliggör en avancerad design en materialreduktion på 15 procent, samtidigt som den är maskinoptimerad och självbärande, utan internt stöd.
Processoptimering
Fläkthjulet är konstruerat med den så kallade högenergi-DownSkin-metoden (den typ av exponering som används för att bygga överhängande ytor). I huvudsak ökar denna metod energitätheten för DownSkin-exponeringen genom att öka lasereffekten samtidigt som andra DownSkin-parametrar justeras. Detta ger en större men stabilare smältbassäng, speciellt när man bygger överhäng på lösa puder. Denna metod har framgångsrikt använts för många material som ofta används för att tillverka pumphjul (t.ex. Ti64, 316L, AlSi10Mg, In718, etc.).
Därför kan det säkerställas att alla kritiska vinklar kan dra nytta av denna optimerade parameter. Till skillnad från andra teknologier som inte stöds, offrar inte den energiska DownSkin-metoden bygghastigheten och därför affärsfallet för att undvika support.
I avsaknad av några motåtgärder kan högenergi-DownSkin-metoden resultera i överdimensionerade delar i z-riktningen i DownSkin-regionen på grund av den djupa svetspoolen. Delar kan justeras till rätt storlek genom efterbearbetning eller genom att justera designen. DownSkin är också relativt grovt, men grovheten är enhetlig, vilket hjälper till med bulk-ytbehandlingstekniker såsom slipande flödesbearbetning. Det finns också knappt någon porositet (se bild nedan), porositeten är begränsad till DownSkin. Därför påverkas inte de övergripande mekaniska egenskaperna och du kan fortfarande lita på den högkvalitativa InFill-processen som utvecklats av EOS. Därför krävs inte heller en sekundär process som varm isostatisk pressning för att erhålla tillräckliga mekaniska egenskaper.
Efterbearbetning (Abrasive Flow Machining, AM Metals)
Slipande flödesbearbetning är en vanlig ytbehandlingsteknik som används för flödesrelaterade applikationer och inre geometrier. Slipmediet skjuts genom den del som hålls i fixturen. De slipande partiklarna i media slipar och polerar ytan längs flödesbanan. Som förberedelse för inre ytfinish måste den slutna ytterdiametern bearbetas till en öppen diameter och delhöjd anpassad till fixturen för AFM-processen. Efter förbearbetning spänns delen fast och slipmedel trycks genom delen med hjälp av klämman. Efter AFM-processen bearbetas pumphjulet till den slutliga storleken.
Den sista delen behandlad med Abrasive Flow Machining (AFM)
Med den kontinuerliga utvecklingen av 3D-utskriftsteknik kommer 3D-tryckta metalldelar att fortsätta att utvecklas mot slutkonsumentmarknaden.