Tilføjelse og fjernelse af understøtninger har længe været en udfordring under metaladditiv fremstilling (AM). Tager man direkte metallasersintring (DMLS) som et eksempel, skal modellen forudindstilles med støttestrukturer før udskrivning for at undgå deformation forårsaget af termisk stress og lede varme væk fra den smeltede pool. Disse beslag er en del af designet og fremstillingen som helhed. Efter konstruktionen blev støttekonstruktionen demonteret og kasseret. Uden understøtninger er det vanskeligt at udskrive udkragede strukturer under en vis hældningsvinkel (normalt omkring 45 grader), hvilket ofte begrænser mulighederne for brugere af metal 3D-printsystemer, og også bringer mange udstyrs-OEM'er og additiv fremstillingssoftwarevirksomheder. en stor udfordring.
For at løse ovenstående problemer har eksperter fra EOS-virksomheden Additive Minds nu udviklet forskellige procesoptimeringsteknikker til at producere 3D-printede dele uden støttestrukturer, såsom statorringe, huse, turbopumper, olietanke, varmevekslere, ventiler og pumpehjul, heraf. det lukkede pumpehjul er et af de mere typiske tilfælde. Gennem optimeret designsoftware og parameterpakker gør EOS brugere i stand til at udskrive cantilevers og broer i lavere vinkler (nogle gange endda nul), hvilket kræver langt færre eller ingen understøttelser.
Ikke-understøttet additiv fremstilling sparer også en masse tid i efterbehandlingsstadiet, da der ikke skal fjernes yderligere understøtninger. Ved manuel fjernelse frigiver det også medarbejdernes tid og energi til andet arbejde. Fremstilling af dele uden støttestruktur reducerer også materialespild, da intet smides ud, og alle aspekter af delen og støttedesignet er nødvendige. Dette er dog ikke en nem proces, og softwaredesigneksperter og -producenter har arbejdet på udfordringen med ikke-understøttet design i årevis.
I denne artikel er det hovedsageligt vist, hvordan eksperterne hos EOS udnytter den ikke-understøttede metode til at konstruere pumpehjulet. Indkapslede eller indkapslede pumpehjul bruges i mange industrier, og de varierer meget i størrelse, form, materiale og ydeevnekrav. Lukkede pumpehjul udsættes ofte for ekstreme forhold såsom høje omdrejningshastigheder, stærkt korrosive medier og mekaniske belastninger forårsaget af ekstreme temperaturer. For eksempel turbopumpeapplikationer i rumraketter, kompressionssystemer i mikroturbiner og havvandspumper i olie- og gasapplikationer.
Understøtte designkrav i traditionel metal 3D-print
Design af 3D-printede dele med understøtninger har været en standardtilgang til additiv fremstilling (AM). Antallet, størrelsen og placeringen af understøtninger bestemmes af en række faktorer:
Resterende spændinger under udskrivning kan forårsage deformation af 3D-modellen. Understøtninger kan tilføjes for fysisk at forhindre denne deformation;
Afbrydelse af overcoateren, der påvirker delens mellemliggende opbygning, kan vibrere delen eller forårsage skade, hvilket resulterer i et mislykket job. Beslag bruges til at beskytte delene mod enhver påvirkning fra overmaleren;
Varmeoverførsel gennem understøtninger gør det muligt for dele at afkøle og dannes hurtigere og mere vellykket under byggeprocessen.
For at sikre, at en 3D-printer bygger og med succes producerer dele, skal en række årsager, der påvirker supportdesignet, overvejes, herunder:
Delens orientering bestemmer, hvor meget af delen der skal understøttes. Typisk, hvis delene er orienteret, så der ikke er et større overfladeareal på byggepladen, kræves der mere støtte for at kompensere for ovennævnte faktorer.
Udhæng på 45 grader eller mindre anses generelt for at kræve støttestrukturer.
Kanaler og huller kan deformeres uden støtte, afhængigt af deres størrelse og om de er orienteret ineffektivt.
Model design
Bevæbnet med den rette ekspertise og kreative problemløsningsevner har teamet hos EOS med succes udviklet nye måder at designe og bygge modeller på, hvilket knuste den forudfattede opfattelse af "lave fald skal tilføje støtte", med fremragende resultater. Løbehjulet brugt i denne artikel til at demonstrere den ikke-understøttede struktur og DMLS-processens muligheder er designet af EOS Additive Minds med en diameter på 150 mm med 12 blade med udhængsvinkler ned til 10 grader.
Medlemmets hældningsretning og støttestruktur
Løbehjul er normalt trykt i en skrå orientering for at undgå indvendige understøtninger, da de er svære at fjerne. Denne orientering resulterer dog typisk i længere byggetider, ujævn overfladekvalitet, og delens rundhed lider. Plan orientering giver flere fordele, såsom kortere byggetider, bedre rundhed og nøjagtighed og en mere ensartet overfladekvalitet på tværs af delen. Lave udhæng kræver dog normalt meget støtte. For den nuværende DMLS-proces skal større udhæng på mindre end 35 grader understøttes. Understøtninger er nødvendige for at sprede varmen fra den smeltede pool for at kompensere for genbelægningskræfter og indre delspændinger.
Ikke-understøttet designoptimering
EOS reducerer betydeligt behovet for at tilføje intern support ved at udnytte avancerede modeldesignteknikker. Designoptimeringen af den additive fremstillingsproces er også et andet vigtigt aspekt, der er relateret til udskrivningens succes. Mens intern støtte primært kan undgås ved brug af tilpassede eksponeringsstrategier, er eksterne støttestrukturer ofte stadig nødvendige.
I løbehjulet til denne artikel blev bunden af delen modificeret i stedet for at bruge fast fyldning ved at bruge selvbærende buer og tynde vægge for at sikre en stærk platformforbindelse og forhindre deformation under konstruktionen. Dette tillader brugen af mindre materiale end konventionelle stents, samtidig med at det giver høj styrke og forbedret bearbejdelighed. Den ydre diameter af pumpehjulet er lukket for at give større stivhed til delen, når den er bygget, og for at forhindre tab af geometrisk nøjagtighed ved udløbskanten. For dette pumpehjul muliggør et avanceret design en materialereduktion på 15 procent, samtidig med at den er maskinoptimeret og selvbærende uden intern støtte.
Procesoptimering
Løbehjulet er konstrueret ved hjælp af den såkaldte high-energy DownSkin-metode (den type eksponering, der bruges til at bygge overhængende overflader). I det væsentlige øger denne metode energitæthedens input fra DownSkin-eksponeringen ved at øge lasereffekten, mens andre DownSkin-parametre justeres. Dette giver et større, men mere stabilt smeltebassin, især når man bygger udhæng på løst pulver. Denne metode er med succes blevet brugt til mange materialer, der ofte anvendes til fremstilling af skovlhjul (f.eks. Ti64, 316L, AlSi10Mg, In718 osv.).
Derfor kan det sikres, at alle kritiske vinkler kan drage fordel af denne optimerede parameter. I modsætning til andre ikke-understøttede teknologier, ofrer højenergi-Downskin-tilgangen ikke byggehastigheden og derfor business casen for at undgå support.
I mangel af modforanstaltninger kan højenergi-DownSkin-metoden resultere i overdimensionerede dele i z-retningen i DownSkin-regionen på grund af den dybe svejsepool. Dele kan justeres til den rigtige størrelse ved efterbehandling eller ved at justere designet. DownSkin er også relativt ru, men ruheden er ensartet, hvilket hjælper med bulk overfladebehandlingsteknikker såsom slibende flowbearbejdning. Der er heller næsten ingen porøsitet (se billedet nedenfor), porøsiteten er begrænset til DownSkin. Derfor påvirkes de overordnede mekaniske egenskaber ikke, og du kan stadig stole på den højkvalitets InFill-proces, der er udviklet af EOS. Derfor er en sekundær proces som varm isostatisk presning heller ikke nødvendig for at opnå tilstrækkelige mekaniske egenskaber.
Efterbehandling (Abrasive Flow Machining, AM Metals)
Slibende flowbearbejdning er en almindelig overfladebehandlingsteknik, der bruges til flow-relaterede applikationer og interne geometrier. Slibemediet skubbes gennem den del, der holdes i fiksturen. De slibende partikler i mediet sliber og polerer overfladen langs strømningsvejen. Som forberedelse til indvendig overfladefinishing skal den lukkede ydre diameter bearbejdes til en åben, diameter og delhøjde tilpasset til armaturet til AFM-processen. Efter forbearbejdning spændes delen fast, og slibende medier skubbes gennem delen ved hjælp af klemmen. Efter AFM-processen bearbejdes pumpehjulet til den endelige størrelse.
Den sidste del behandlet med Abrasive Flow Machining (AFM)
Med den fortsatte udvikling af 3D-printteknologi vil metal 3D-printede dele fortsætte med at udvikle sig mod slutforbrugermarkedet.