Er det svært at understøtte komplekse strukturer gennem metal 3D-print?

一, Behovet for støtte: det dobbelte-udskrivningssværd med en kompleks struktur
Ved 3D-print af metal tjener den bærende struktur mange formål:
Mekanisk støtte: for at forhindre ophængte konstruktioner i at falde eller ændre form, mens de udskrives på grund af tyngdekraften eller varme. For eksempel, hvis flymotorblade ikke har støtte, kan deres tynde vægge bøjes under størkningsstadiet af smeltebassinet.
Termisk styring: Flytning af varme gennem bærende strukturer for at forhindre, at lokale temperaturforskelle bliver for store og for at forhindre, at resterende stress opbygges. For eksempel, når du udskriver titanlegeringsimplantater, kan støtten stoppe mikrorevner i at dannes, når materialet afkøles for hurtigt.
Processens stabilitet: I pulverbedsmelteteknologi holder den understøttende ramme delene på plads, så de ikke bevæger sig, når pulveret flyder eller skraberen rammer dem.
Men der er også store problemer med at have bærende strukturer:
Spild af materialer: Mængden af ​​støttematerialer kan udgøre 30 % til 50 % af delenes samlede vægt, og det er svært at genbruge dem alle.
Omkostninger ved efter-behandling: Fjernelse af støtte med maskiner kræver meget arbejde og kan beskadige stykkernes overflader. For eksempel skal medicinske implantater poleres mere, efter at de er installeret, for at opfylde biokompatibilitetsstandarder.
Begrænsninger i design: Traditionelle støttesystemer har brug for en ophængsvinkel på mere end 45 grader, hvilket gør det svært at bruge nye designs som komplicerede interne strømningskanaler og gitterstrukturer.
2, Teknisk udfordring: Test af materialers egenskaber og kompleksiteten af ​​strukturer på samme tid
1. Forskelle i materialernes egenskaber gør det sværere at understøtte
De fysiske og kemiske egenskaber af forskellige metalmaterialer har stor indflydelse på støtteprocessen:
Titaniumlegering er meget aktiv og reagerer let med ilt og nitrogen for at danne et hårdt, skørt lag. Det skal beskyttes mod inaktiv gas, når det ikke bruges. For eksempel, når du understøtter Ti6Al4V-printede dele, skal mængden af ​​ilt holdes under 50 ppm, ellers kan de gå i brand af sig selv.
Rustfrit stål er meget modstandsdygtigt over for rust og kan rengøres med kemikalier eller en-højtryksvandstråle. Når du gennembløder 316L rustfri stålblade i alkaliske renseopløsninger og bruger ultralydsrensning, kan du slippe af med 99,5 % af pulveret.
Aluminiumslegering har et lavt smeltepunkt og vil sandsynligvis ændre form, når den rengøres med typiske vibrationsrensningsmetoder. For at fjerne støtte fra AlSi10Mg-printet skal du bruge CO₂-snejetteknologi, som virker ved at ramme faste partikler ved en lav temperatur på -78,5 grader uden at forårsage termisk stresskoncentration.
2. At gøre strukturer mere komplekse for at gøre tingene sværere
Komplekse arkitekturer nødvendiggør forhøjede krav til ikke-understøttede processer:
Porøs struktur: Det porøse lag i ortopædiske implantater er normalt mindre end 3 mm tykt, og mængden af ​​pulver tilovers bør være mindre end 0,1 mg/cm². Et bestemt medicinsk firma bruger vakuumadsorptionsteknologi og 360-graders roterende armaturer for at opnå en pulvergenvindingsgrad på 98,7%.
Tynd-vægget struktur: Hvis vægtykkelsen af ​​flymotorbladet er mindre end eller lig med 1 mm, skal den mekanisk spændingsregulering forblive på plads. GE anvender pulverfjernelse ved lav-temperatur (afkøling med flydende nitrogen ved -196 grader) sammen med aldersbehandling for at sænke restbelastningen til mindre end 50 MPa og stoppe dannelsen af ​​revner.
Struktur af det indvendige hulrum: For at tage den indvendige hulrumsstøtte af turbineskiven ud, skal der fremstilles specialværktøj. En specifik turbineskivemodel har en aftagelig kerneaksel, der bruger centrifugalkraft til at skubbe pulver ud og laminær luftstrøm (0,5m/s) til at blæse langs overfladen, hvilket opfylder renhedsstandarderne for det indre kammer.
3, nye ideer: Fra at gøre processer bedre til smart design
1. Uovervåget udskrivningsteknologi kommer uden om grænserne for traditionel udskrivning.
Nogle komplicerede strukturer har været i stand til at udskrive uden støtte ved at justere printbanen og pulverets egenskaber:
Lille vinkel, der ikke understøttes: LiM-X260A-udstyret fremstillet af Leiming Laser kan udskrive titanlegeringskomponenter, der er 5 grader til 35 grader ophængt ved at optimere laserenergitætheden og scanningsmetoden. Delene har en tæthed på 99,9%.
Intelligent vejplanlægning: Det taktiske team på China Academy of Launch Vehicle Technology ændrede pulverpartikelstørrelsesfordelingen (D50=45 μm) og laserscanningshastigheden (800 mm/s). De brugte også stressfordelingssimulering for at gøre ustøttet udskrivning af komplekse raketkabinestrukturer mulig. Overfladenøjagtigheden nåede et millimeterniveau, og behovet for efter-behandling blev reduceret med 60 %.
2. Den forbedrede støttestruktur gør det lettere at tage af.
Opløselig støtte: Arizona State University har fundet på en måde at fjerne elektrokemisk støtte ved at printe kulstofstålstøtter på rustfri ståldele og bruge salpetersyreopløsning til selektivt at erodere kulstofstålet. Den 7 mm tykke støtte kan tages helt af på mindre end 6 timer uden at skade stykkernes overflade.
Design af brudpunktet: Tilføj timeglasformede-brudpunkter til den understøttende struktur, og brug forud-indstillede spændingskoncentrationssteder til at styre bruddet. For eksempel har en del af en bil en tand-formet støtte, der let kan fjernes med kun en lille kraft. Skaden på overfladen er mindre end 0,05 mm dyb.
3. Simuleringsoptimering gør support mindre nødvendig.
Processimuleringsværktøjer, som VoxelDance Engineering, kan finde ud af, hvordan varmestressen vil blive spredt ud under udskrivning og gøre supportkonfigurationen bedre. For eksempel reducerede en lukket pumpehjulsmodel den nødvendige støtte med 60 % gennem simulering, reducerede udskrivningstiden til 50 timer og minimerede risikoen for en skraberkollision.