Varför måste metallstödstrukturen för 3D-utskrift tas bort?

1. Huvuduppgiften att stödja strukturer och hur de har förändrats över tid
Fysiska barriärer för kontroll av termodynamik
Under metall 3D-utskriftsprocessen skapar laser- eller elektronstrålar mycket höga temperaturer (över 2000 grader) på små platser, vilket gör att materialet ändras från en vätska till en fast substans mycket snabbt. Den stödjande strukturen tjänar två syften i denna process. För det första, som ett värmeledningsmedium, flyttar det snabbt värme från det upphängda området till substratet, vilket hindrar kvarvarande spänningar från att byggas upp på grund av lokal överhettning. För det andra, genom att begränsa flödet av metall, hindrar det den smälta poolen från att kollapsa på grund av gravitationen. Till exempel, när du trycker på ett titanlegeringshjul, kan stödstrukturen minska den termiska spänningen med 60 % när upphängningsvinkeln är mindre än 45 grader. Detta sänker delarnas deformationshastighet från 32 % till mindre än 5 %.
Det oundvikliga resultatet av processiteration
Tidiga 3D-utskriftsmaskiner av metall behövde många stödstrukturer eftersom de inte kunde hantera energitätheten särskilt bra. Moderna SLM-enheter kan ge "adaptivt stöd" genom att dynamiskt modifiera laserns effekttäthet tack vare utvecklingen av multi-fysikkopplingsmodelleringstekniker. Leiming Lasers LiM-X260A-enhet har till exempel framgångsrikt skrivit ut upphängda strukturer utan stöd i små vinklar på 5 grader -35 grader genom att använda optimerade skanningsalgoritmer. Detta minskade mängden stödmaterial som behövs med 78 %. Men denna teknik är fortfarande bara användbar för vissa typer av material och former.
2. Fatala brister kvarstår i stödstrukturen
Osynliga mördare av materialegenskaper
Materialgränssnittet mellan den bärande strukturen och tryckkroppen skiljer sig mycket från varandra när det gäller hur de är organiserade. Vid utskrift med 316L rostfritt stål kan grova kolumnformade kristaller bildas i förbindelsen mellan gallerstödet och det fasta materialet. Detta gör området 15 % till 20 % mjukare och 40 % mindre hållbart. Den "liten anod stora katod"-effekten av stödrester kan producera elektrokemisk korrosion, vilket är mycket dåligt för viktiga delar som turbinskivor i flygplansmotorer eftersom det påskyndar korrosionshastigheten med 3 till 5 gånger.
Skadliga effekter på formernas precision
Kontaktpunkten mellan den bärande strukturen och komponentens yta kommer att skapa ett övergångsskikt som är 0,1 till 0,3 mm tjockt. Detta skikt kommer sannolikt att ha ytfel när det avlägsnas mekaniskt. Bränslemunstycket från GE Aviation har till exempel en intern flödeskanal som endast är 2 mm i diameter. Om det finns kvarvarande stöd kan flödeskanalsektionen böjas med mer än 8 %, vilket direkt påverkar bränsleförstoftningseffekten. Även med banbrytande tekniker som elektrokemisk upplösning kan lokal korrosion på 0,05 mm-nivån fortfarande inträffa om strömtätheten inte är jämnt fördelad.
Den svaga punkten med kostnadskontroll
Kostnaden för materialet som används för att göra den bärande strukturen utgör cirka 12% till 18% av den totala kostnaden för metall 3D-utskrift. Kostnaden för nickel-baserade högtemperaturlegeringar- är mer än 2 000 USD per kilogram, och att slänga extra material är för mycket arbete. Arbetskostnaden för efter-bearbetningsfasen är mycket mer oroande eftersom den kan vara så hög som 25 % till 30 %. I BMW IDAMs automatiserade produktionslinje måste folk fortfarande hjälpa till med borttagningsprocessen, vilket har blivit en stor flaskhals som hindrar hela processen från att bli automatiserad.
3. Genombrott och problem med teknik som hjälper till med borttagning
En revolution inom mekaniskt precisionsborttagning
Det finns två huvudproblem med traditionella mekaniska processer som trådskärning och fräsning: för det första är de svåra att komma åt på grund av komplexa inre kavitetsstrukturer, och för det andra är de svåra att kontrollera på mikrometernivå. NetShape-robotsystemet från Rivelin Robotics kan reglera kontaktkraften till inom 0,1N med hjälp av en kraftåterkopplingskontrollalgoritm. När den används med ett 3D-visuellt positioneringssystem kan det automatiskt hitta och ta bort stödrester, vilket gör ytan slätare (från Ra6,3 μm till Ra1,6 μm) och snabbar upp bearbetningen med 10 gånger.
Selektivt genombrott inom kemisk etsning
Den elektrokemiskt stödda borttagningstekniken utvecklad av Arizona State University uppnår selektiv upplösning genom att skapa ett differentiellt potentialfält. I 304-systemet av rostfritt stål/kolstål kan kombinationen av 41 viktprocent salpetersyralösning och syre helt avlägsna det 7 mm tjocka kolstålstödet på 6 timmar. Det håller också korrosionshastigheten för det rostfria stålsubstratet under 0,002 mm/h. Denna teknik har använts för att göra medicinska implantat, vilket minskar tiden det tar att ta bort stödet från 48 timmar till 8 timmar.
Att använda smarta algoritmer för att göra förutsägelser om hur man kan förbättra saker
Den belgiska startupen Materialize tillverkar mjukvara som heter Magics som kan använda maskininlärningsmodeller för att automatiskt konstruera de bästa stödstrukturerna. Systemet lär sig av 100 000 uppsättningar processdata och kan förutsäga hur termisk stress kommer att spridas över olika former. Den kan också ändra stöddensiteten och kontaktytan på egen hand. När du skriver ut en viss del av ett flygplans struktur minskade den optimerade supportmetoden materialanvändningen med 42 % och efter-bearbetningstiden med 65 %.