Добавление и удаление опор долгое время было проблемой при аддитивном производстве металлов (AM). Возьмем в качестве примера прямое лазерное спекание металла (DMLS). Перед печатью модель должна быть предварительно настроена с опорными конструкциями, чтобы избежать деформации, вызванной тепловым напряжением, и отвести тепло от расплавленной ванны. Эти кронштейны являются частью конструкции и производства в целом. После строительства опорная конструкция была демонтирована и выброшена. Без опор трудно печатать консольные конструкции под определенным углом наклона (обычно около 45 градусов), что часто ограничивает возможности пользователей систем 3D-печати металлом, а также привлекает многих OEM-производителей оборудования и компаний-разработчиков программного обеспечения для аддитивного производства. большой вызов.
Чтобы решить вышеуказанные проблемы, специалисты компании EOS Additive Minds разработали различные методы оптимизации процессов для производства 3D-печатных деталей без опорных конструкций, таких как кольца статора, корпуса, турбонасосы, масляные баки, теплообменники, клапаны и рабочие колеса, из которых закрытое рабочее колесо является одним из наиболее типичных случаев. Благодаря оптимизированному программному обеспечению для проектирования и пакетам параметров EOS позволяет пользователям печатать консоли и мосты под меньшими углами (иногда даже нулевыми), требуя гораздо меньшего количества опор или вообще не требуя их.
Аддитивное производство без поддержки также экономит много времени на этапе постобработки, поскольку не нужно удалять дополнительные опоры. В случае ручного удаления это также высвобождает время и энергию сотрудников для другой работы. Изготовление деталей без опорной конструкции также сокращает отходы материалов, так как ничего не выбрасывается и необходимы все аспекты конструкции детали и опоры. Однако это нелегкий процесс, и специалисты по разработке программного обеспечения и производители уже много лет работают над проблемой неподдерживаемого дизайна.
В этой статье в основном показано, как специалисты EOS используют метод без опоры для создания рабочего колеса. Закрытые или закрытые рабочие колеса используются во многих отраслях промышленности, и они сильно различаются по размеру, форме, материалу и требованиям к производительности. Закрытые рабочие колеса часто подвергаются экстремальным условиям, таким как высокие скорости вращения, высококоррозионные среды и механические нагрузки, вызванные экстремальными температурами. Например, применение турбонасосов в космических ракетах, компрессорных систем в микротурбинах и насосов морской воды в нефтяных и газовых установках.
Поддержка требований к дизайну в традиционной 3D-печати металлом
Разработка напечатанных на 3D-принтере деталей с опорами является стандартным подходом к аддитивному производству (АП). Количество, размеры и расположение опор определяются рядом факторов:
Остаточные напряжения при печати могут вызвать деформацию 3D-модели. Можно добавить опоры, чтобы физически предотвратить эту деформацию;
Прерывание работы устройства повторного нанесения покрытия, влияющее на промежуточную сборку детали, может вызвать вибрацию детали или привести к ее повреждению, что приведет к неудачной работе. Кронштейны используются для защиты деталей от любого воздействия перекрасщика;
Теплопередача через опоры позволяет деталям быстрее и успешнее охлаждаться и формироваться в процессе сборки.
Чтобы гарантировать, что 3D-принтер строит и успешно производит детали, необходимо учитывать множество причин, влияющих на конструкцию опоры, в том числе:
Ориентация детали определяет, какая часть детали должна поддерживаться. Как правило, если детали ориентированы так, что большая площадь поверхности не находится на рабочей пластине, требуется дополнительная поддержка для компенсации вышеуказанных факторов.
Обычно считается, что свесы под углом 45 градусов или менее требуют опорных конструкций.
Каналы и отверстия могут деформироваться без опоры в зависимости от их размера и от того, неэффективно ли они ориентированы.
Дизайн модели
Вооружившись нужным опытом и творческими навыками решения проблем, команда EOS успешно разработала новые способы проектирования и создания моделей, разрушив предвзятое представление о том, что «низкие провалы должны добавить поддержку», и добились отличных результатов. Рабочее колесо, используемое в этой статье для демонстрации безопорной конструкции и возможностей процесса DMLS, было разработано EOS Additive Minds диаметром 150 мм с 12 лопастями с углами вылета до 10 градусов.
Направление наклона стержня и опорная конструкция
Рабочие колеса обычно печатаются с наклонной ориентацией, чтобы избежать внутренних опор, поскольку их трудно удалить. Однако такая ориентация обычно приводит к увеличению времени сборки, неравномерному качеству поверхности и страдает округлость детали. Плоская ориентация дает несколько преимуществ, таких как более короткое время сборки, лучшая округлость и точность, а также более однородное качество поверхности по всей детали. Однако низкие свесы обычно требуют большой поддержки. Для текущего процесса DMLS необходимо поддерживать большие выступы менее 35 градусов. Опоры необходимы для отвода тепла от ванны расплава, чтобы компенсировать силы повторного покрытия и внутреннее напряжение детали.
Неподдерживаемая оптимизация дизайна
EOS значительно снижает потребность во внутренней поддержке за счет использования передовых методов проектирования моделей. Оптимизация дизайна процесса аддитивного производства также является еще одним важным аспектом, связанным с успехом печати. Хотя внутренней поддержки можно избежать в первую очередь за счет использования скорректированных стратегий воздействия, внешние структуры поддержки часто все же необходимы.
В случае крыльчатки в этой статье вместо использования сплошного наполнителя нижняя часть детали была модифицирована путем использования самонесущих арок и тонких стенок, чтобы обеспечить прочное соединение платформы и предотвратить деформацию во время строительства. Это позволяет использовать меньше материала, чем обычные стенты, обеспечивая при этом высокую прочность и улучшенную обрабатываемость. Внешний диаметр крыльчатки закрыт, чтобы обеспечить большую жесткость детали при сборке и предотвратить потерю геометрической точности на выходной кромке. Усовершенствованная конструкция этого рабочего колеса позволяет сократить расход материала на 15 %, будучи оптимизированной для машины и самонесущей, без внутренней поддержки.
Оптимизация процесса
Рабочее колесо сконструировано с использованием так называемого высокоэнергетического метода DownSkin (тип воздействия, используемый для построения нависающих поверхностей). По сути, этот метод увеличивает входную плотность энергии воздействия DownSkin за счет увеличения мощности лазера при настройке других параметров DownSkin. Это создает более крупную, но более стабильную ванну расплава, особенно при создании выступов на сыпучих порошках. Этот метод был успешно использован для многих материалов, часто используемых для изготовления рабочих колес (например, Ti64, 316L, AlSi10Mg, In718 и т. д.).
Следовательно, можно гарантировать, что все критические углы могут выиграть от этого оптимизированного параметра. В отличие от других неподдерживаемых технологий, высокоэнергетический подход DownSkin не жертвует скоростью сборки и, следовательно, экономическим обоснованием отказа от поддержки.
При отсутствии каких-либо контрмер высокоэнергетический метод DownSkin может привести к получению слишком больших деталей в направлении z в области DownSkin из-за глубокой сварочной ванны. Детали можно отрегулировать до нужного размера путем постобработки или настройки дизайна. DownSkin также относительно шероховат, но шероховатость равномерна, что помогает при обработке объемных поверхностей, таких как абразивно-струйная обработка. Также почти нет пористости (см. изображение ниже), пористость ограничена DownSkin. Таким образом, общие механические свойства не изменяются, и вы по-прежнему можете положиться на высококачественный процесс InFill, разработанный EOS. Следовательно, вторичный процесс, такой как горячее изостатическое прессование, также не требуется для получения достаточных механических свойств.
Постобработка (абразивная обработка, AM Metals)
Абразивно-струйная обработка является распространенным методом отделки поверхности, используемым для приложений, связанных с потоком, и внутренней геометрии. Абразивная среда проталкивается через часть, удерживаемую в приспособлении. Абразивные частицы в среде шлифуют и полируют поверхность вдоль пути потока. В качестве подготовки к чистовой обработке внутренней поверхности закрытый внешний диаметр необходимо превратить в открытый, диаметр и высота детали должны соответствовать приспособлению для процесса АСМ. После предварительной обработки деталь зажимается, и абразивный материал проталкивается через деталь с помощью зажима. После процесса АСМ рабочее колесо обрабатывается до окончательного размера.
Конечная деталь, обработанная абразивно-струйной обработкой (AFM)
С непрерывным развитием технологии 3D-печати металлические 3D-печатные детали будут продолжать развиваться в направлении конечного потребительского рынка.