Сложно ли поддерживать сложные конструкции с помощью 3D-печати металлом?

一, Потребность в поддержке:-палка о двух концах печати со сложной структурой
При 3D-печати металлом несущая конструкция служит многим целям:
Механическая поддержка: предохраняет подвесные конструкции от падения или изменения формы во время печати из-за силы тяжести или тепла. Например, если лопатки авиационного двигателя не имеют опоры, их тонкие стенки могут погнуться на стадии затвердевания ванны расплава.
Управление температурным режимом: перемещение тепла через поддерживающие конструкции, чтобы локальные перепады температур не становились слишком большими, а остаточное напряжение не накапливалось. Например, при печати имплантатов из титанового сплава опора может предотвратить образование микротрещин при слишком быстром охлаждении материала.
Стабильность процесса: в технологии плавки в порошковом слое опорная конструкция удерживает детали на месте, так что они не смещаются при движении порошка или при ударе скребка по ним.
Но есть и большие проблемы с наличием несущих конструкций:
Отходы материалов. Количество вспомогательных материалов может составлять от 30% до 50% от общего веса деталей, и их все сложно переработать.
Стоимость последующей-обработки. Удаление опоры с помощью машин требует много усилий и может повредить поверхность деталей. Например, медицинские имплантаты необходимо дополнительно полировать после установки, чтобы они соответствовали стандартам биосовместимости.
Ограничения конструкции: традиционные опорные системы требуют угла подвески более 45 градусов, что затрудняет использование новых конструкций, таких как сложные внутренние каналы потока и решетчатые конструкции.
2. Техническая задача: одновременное тестирование характеристик материалов и сложности конструкций.
1. Различия в характеристиках материалов усложняют поддержку.
Физические и химические свойства различных металлических материалов сильно влияют на процесс крепления:
Титановый сплав очень активен и легко реагирует с кислородом и азотом, образуя твердый хрупкий слой. Его необходимо защищать от инертного газа, когда он не используется. Например, при поддержке печатных деталей Ti6Al4V количество кислорода должно поддерживаться ниже 50 частей на миллион, иначе они могут загореться сами по себе.
Нержавеющая сталь очень устойчива к ржавчине, и ее можно чистить химическими веществами или струей воды под-напором. Когда вы погружаете лезвия из нержавеющей стали 316L в щелочные чистящие растворы и используете ультразвуковую очистку, вы можете избавиться от 99,5% порошка.
Алюминиевый сплав имеет низкую температуру плавления и может изменить форму при очистке обычными методами вибрационной очистки. Чтобы удалить подложку с отпечатка AlSi10Mg, вам необходимо использовать технологию снежной струи CO₂, которая работает за счет удара твердых частиц при низкой температуре -78,5 градусов, не вызывая концентрации термического напряжения.
2. Усложнение структур, чтобы усложнить ситуацию
Сложные архитектуры требуют повышенных требований к неподдерживаемым процессам:
Пористая структура. Толщина пористого слоя в ортопедических имплантатах обычно составляет менее 3 мм, а количество оставшегося порошка должно быть менее 0,1 мг/см². Одна медицинская компания использует технологию вакуумной адсорбции и вращающиеся на 360 градусов приспособления, чтобы добиться степени извлечения порошка 98,7%.
Тонкостенная-конструкция. Если толщина стенки лопасти авиационного двигателя меньше или равна 1 мм, для того чтобы оставаться на месте, требуется регулирование механического напряжения. Компания GE применяет низкотемпературное удаление порошка (охлаждение жидким азотом до -196 градусов) и старение, чтобы снизить остаточное напряжение до менее 50 МПа и предотвратить образование трещин.
Структура внутренней полости: Для извлечения опоры внутренней полости диска турбины необходимо изготовить специальные инструменты. Конкретная модель диска турбины имеет съемный основной вал, который использует центробежную силу для выталкивания порошка и ламинарный поток воздуха (0,5 м/с) для обдувания поверхности, что соответствует стандартам чистоты для внутренней камеры.
3. Новые идеи: от улучшения процессов к разумному дизайну
1. Технология печати без надзора выходит за рамки традиционной печати.
Некоторые сложные конструкции можно печатать без поддержки, регулируя путь печати и характеристики порошка:
Формовка без опоры под малым углом: оборудование LiM-X260A производства Leiming Laser может печатать детали из титанового сплава, подвешенные под углом от 5 до 35 градусов, за счет оптимизации плотности лазерной энергии и метода сканирования. Детали имеют плотность 99,9%.
Интеллектуальное планирование траектории: тактическая группа Китайской академии технологий ракет-носителей изменила распределение частиц порошка по размерам (D50=45 мкм) и скорость лазерного сканирования (800 мм/с). Они также использовали моделирование распределения напряжений, чтобы сделать возможной печать сложных конструкций кабин ракет без поддержки. Точность поверхности достигла уровня миллиметра, а необходимость последующей-обработки сократилась на 60 %.
2. Улучшенная конструкция поддержки облегчает взлет.
Растворимая поддержка: Университет штата Аризона придумал способ удаления электрохимической поддержки путем печати опор из углеродистой стали на деталях из нержавеющей стали и использования раствора азотной кислоты для выборочной эрозии углеродистой стали. Опору толщиной 7 мм можно полностью снять менее чем за 6 часов, не повредив поверхность детали.
Проектирование точки излома. Добавьте точки излома в форме песочных часов-к несущей конструкции и используйте заранее-предустановленные места концентрации напряжений для управления изломом. Например, одна часть автомобиля имеет опору в форме зуба-, которую можно легко снять, приложив лишь небольшое усилие. Повреждения поверхности имеют глубину менее 0,05 мм.
3. Оптимизация моделирования делает поддержку менее необходимой.
Инструменты моделирования процессов, такие как VoxelDance Engineering, могут выяснить, как тепловая нагрузка будет распределяться во время печати, и улучшить конфигурацию поддержки. Например, модель закрытой крыльчатки за счет моделирования сократила объем необходимой поддержки на 60%, сократила время печати до 50 часов и свела к минимуму вероятность столкновения со скребком.