Ist es schwierig, komplexe Strukturen durch 3D-Metalldruck zu unterstützen?

一, Das Bedürfnis nach Unterstützung: das zweischneidige Schwert des Buchdrucks mit einer komplexen Struktur
Beim Metall-3D-Druck dient die Stützstruktur vielen Zwecken:
Mechanische Unterstützung: um zu verhindern, dass hängende Konstruktionen während des Druckvorgangs aufgrund von Schwerkraft oder Hitze herunterfallen oder ihre Form ändern. Wenn beispielsweise Flugzeugtriebwerksschaufeln keine Unterstützung haben, können sich ihre dünnen Wände während der Erstarrungsphase des Schmelzbads verbiegen.
Wärmemanagement: Wärme durch tragende Strukturen transportieren, um zu verhindern, dass lokale Temperaturunterschiede zu groß werden und sich keine Eigenspannungen aufbauen. Beim Drucken von Implantaten aus Titanlegierungen kann der Träger beispielsweise verhindern, dass sich Mikrorisse bilden, wenn das Material zu schnell abkühlt.
Stabilität des Prozesses: Bei der Pulverbettschmelztechnologie hält das Stützgerüst die Teile an Ort und Stelle, sodass sie sich nicht bewegen, wenn das Pulver fließt oder der Schaber auf sie trifft.
Aber es gibt auch große Probleme mit tragenden Strukturen:
Materialverschwendung: Die Menge an Trägermaterialien kann 30 bis 50 % des Gesamtgewichts der Teile ausmachen und es ist schwierig, sie alle zu recyceln.
Kosten für die Nachbearbeitung: Das maschinelle Entfernen von Stützen erfordert viel Arbeit und könnte die Oberflächen der Teile beschädigen. Beispielsweise müssen medizinische Implantate nach dem Einbau stärker poliert werden, um die Biokompatibilitätsstandards zu erfüllen.
Einschränkungen im Design: Herkömmliche Stützsysteme erfordern einen Aufhängungswinkel von mehr als 45 Grad, was die Verwendung neuer Designs wie komplizierter interner Strömungskanäle und Gitterstrukturen erschwert.
2, Technische Herausforderung: Gleichzeitiges Testen der Eigenschaften von Materialien und der Komplexität von Strukturen
1. Unterschiede in den Eigenschaften der Materialien erschweren die Unterstützung
Die physikalischen und chemischen Eigenschaften verschiedener Metallmaterialien haben großen Einfluss auf den Stützprozess:
Titanlegierungen sind sehr aktiv und reagieren leicht mit Sauerstoff und Stickstoff unter Bildung einer harten, spröden Schicht. Es muss vor Inertgas geschützt werden, wenn es nicht verwendet wird. Beispielsweise sollte bei der Unterstützung gedruckter Ti6Al4V-Teile die Sauerstoffmenge unter 50 ppm gehalten werden, da sie sonst von selbst Feuer fangen könnten.
Edelstahl ist sehr rostbeständig und kann mit Chemikalien oder einem Hochdruckwasserstrahl gereinigt werden. Wenn Sie 316L-Edelstahlklingen in alkalischen Reinigungslösungen einweichen und Ultraschallreinigung verwenden, können Sie 99,5 % des Pulvers entfernen.
Aluminiumlegierungen haben einen niedrigen Schmelzpunkt und neigen dazu, ihre Form zu verändern, wenn sie mit typischen Vibrationsreinigungsmethoden gereinigt werden. Um die Unterstützung vom AlSi10Mg-Druck zu entfernen, müssen Sie die CO₂-Schneestrahltechnologie einsetzen, bei der feste Partikel bei einer niedrigen Temperatur von -78,5 Grad auftreffen, ohne dass es zu einer Konzentration thermischer Spannungen kommt.
2. Strukturen komplexer machen, um die Dinge schwieriger zu machen
Komplexe Architekturen erfordern erhöhte Anforderungen an nicht unterstützte Prozesse:
Poröse Struktur: Die poröse Schicht in orthopädischen Implantaten ist normalerweise weniger als 3 mm dick und die verbleibende Pulvermenge sollte weniger als 0,1 mg/cm² betragen. Ein bestimmtes Medizinunternehmen nutzt Vakuumadsorptionstechnologie und um 360 Grad drehbare Vorrichtungen, um eine Pulverrückgewinnungsrate von 98,7 % zu erreichen.
Dünnwandige-Struktur: Wenn die Wandstärke der Flugtriebwerksschaufel weniger als oder gleich 1 mm beträgt, ist eine mechanische Spannungsregulierung erforderlich, um an Ort und Stelle zu bleiben. GE nutzt die Pulverentfernung bei niedriger Temperatur (Kühlung mit flüssigem Stickstoff bei -196 Grad) und eine Alterungsbehandlung, um die Restspannung auf weniger als 50 MPa zu senken und die Bildung von Rissen zu verhindern.
Struktur des inneren Hohlraums: Um den inneren Hohlraumträger der Turbinenscheibe herauszunehmen, müssen Spezialwerkzeuge hergestellt werden. Ein bestimmtes Turbinenscheibenmodell verfügt über eine abnehmbare Kernwelle, die das Pulver mithilfe der Zentrifugalkraft herausdrückt und einen laminaren Luftstrom (0,5 m/s) entlang der Oberfläche bläst, wodurch die Sauberkeitsstandards für die Innenkammer erfüllt werden.
3, Neue Ideen: Von der Verbesserung von Prozessen bis hin zu intelligentem Design
1. Die unbeaufsichtigte Drucktechnologie umgeht die Grenzen des herkömmlichen Druckens.
Einige komplizierte Strukturen konnten ohne Unterstützung gedruckt werden, indem der Druckpfad und die Eigenschaften des Pulvers angepasst wurden:
Nicht unterstützte Kleinwinkelformung: Die LiM-X260A-Ausrüstung von Leiming Laser kann Titanlegierungskomponenten drucken, die um 5 bis 35 Grad aufgehängt sind, indem die Laserenergiedichte und die Scanmethode optimiert werden. Die Teile haben eine Dichte von 99,9 %.
Intelligente Pfadplanung: Das taktische Team der China Academy of Launch Vehicle Technology änderte die Pulverpartikelgrößenverteilung (D50=45 μm) und die Laserscangeschwindigkeit (800 mm/s). Sie nutzten auch die Spannungsverteilungssimulation, um den freitragenden Druck komplexer Raketenkabinenstrukturen zu ermöglichen. Die Oberflächengenauigkeit erreichte Millimeterniveau und der Bedarf an Nachbearbeitung wurde um 60 % reduziert.
2. Die verbesserte Stützstruktur erleichtert das Abheben.
Auflösbare Unterstützung: Die Arizona State University hat eine Möglichkeit gefunden, elektrochemische Unterstützung zu entfernen, indem sie Kohlenstoffstahlunterstützungen auf Edelstahlteile druckt und Salpetersäurelösung verwendet, um den Kohlenstoffstahl selektiv zu erodieren. Die 7 mm dicke Stütze kann in weniger als 6 Stunden vollständig abgenommen werden, ohne die Oberfläche der Teile zu beschädigen.
Gestaltung des Bruchpunkts: Fügen Sie der Stützstruktur sanduhrförmige Bruchpunkte hinzu und verwenden Sie vor-voreingestellte Spannungskonzentrationsorte, um den Bruch zu steuern. Beispielsweise verfügt ein Teil eines Autos über eine zahnförmige Halterung, die mit nur wenig Kraftaufwand leicht entfernt werden kann. Die Beschädigung der Oberfläche ist weniger als 0,05 mm tief.
3. Simulationsoptimierung macht Support weniger notwendig.
Prozesssimulationstools wie VoxelDance Engineering können herausfinden, wie sich die Hitzebelastung beim Drucken verteilt, und die Stützkonfiguration verbessern. Beispielsweise konnte bei einem Modell mit geschlossenem Laufrad durch Simulation die benötigte Unterstützungsmenge um 60 % reduziert, die Druckzeit auf 50 Stunden verkürzt und das Risiko einer Schaberkollision minimiert werden.