Ist löslicher Träger beim Metall-3D-Druck möglich?

1. Technisches Prinzip: Opferanode für elektrochemischen Durchbruch
Die Opferanodenschutzmethode, die den Potenzialunterschied zwischen zwei Metallen im Elektrolyten nutzt, um selektive Korrosion auszulösen, ist die Grundlage für die lösliche Trägertechnologie. Im Metall-3D-Druck wird diese Technik auf neue Weise eingesetzt, um den Teilkörper von der tragenden Struktur zu trennen:
Auswahl der richtigen Materialien: Verwenden Sie Metalle, die nicht rosten (wie Edelstahl), für die Teile und Metalle, die rosten (wie kohlenstoffarmer Stahl) für die Stützen. Beispielsweise verwendete das Team der Arizona State University eine Mischung aus Edelstahl AISI 431 (für Teile) und kohlenstoffarmem Stahl Metco 91 (für Stützen), um die Stützen in Salpetersäure aufzulösen, ohne die Oberflächen der Teile zu beschädigen.
Elektrochemische Beschleunigung-: Die einfache Verwendung von Salpetersäure führt dazu, dass die Korrosion langsamer abläuft (sie löst nur 1,4 mm Kohlenstoffstahl in 10 Stunden auf), aber durch die Zugabe von Sauerstoffblasen erfolgt sie sechsmal schneller. Sauerstoff bricht die Passivierungsschicht auf der Oberfläche von Kohlenstoffstahl auf, beschleunigt die Entwicklung von Korrosionsströmen und löst die letzten 7 mm Kohlenstoffstahl in 6 Stunden vollständig auf.
Selektive Steuerung: Für Trägermaterialien müssen Elektrolyte eine Löslichkeitsselektivität von mehr als 100:1 aufweisen. Beispielsweise zerfrisst Salpetersäure Kohlenstoffstahl über 1000-mal schneller als Edelstahl, was bedeutet, dass der Körper des Bauteils nicht geschädigt wird.
2. Materialkompatibilität: Metallurgische Einschränkungen und Abhilfemaßnahmen
Um lösliche Träger in der Industrie nutzen zu können, müssen zwei große Probleme in der Materialwissenschaft gelöst werden:
Metallurgische Verträglichkeit: Die folgenden Bedingungen müssen sowohl von Trägermaterialien als auch von Komponentenmaterialien erfüllt werden:
Kristallstrukturelle Ähnlichkeit: um Spannungsrisse an der Grenzfläche zu verhindern, die bei unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten auftreten können. Beispielsweise haben sowohl kohlenstoffarmer Stahl als auch rostfreier Stahl flächenzentrierte kubische Strukturen und einen Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizienten von weniger als 10 %. Das bedeutet, dass sie hohen Temperaturschwankungen beim Metall-3D-Druck standhalten können.
Vermeiden Sie intermetallische Verbindungen: Einige Materialkombinationen, wie Titan- und Aluminiumlegierungen, werden bei hohen Temperaturen eher spröde. Um dies zu vermeiden, müssen Sie die Prozessparameter regulieren oder eine Zwischenschicht aufbauen.
Erweiterung des Materialsystems: Aktuelle Untersuchungen haben gezeigt, dass das Edelstahl--Kohlenstoffstahlsystem möglich ist und in Zukunft weitere Materialkombinationen hergestellt werden müssen.
Hochtemperaturlegierung: Inconel 718 und bestimmte Opferanodenmaterialien können zusammen zur Herstellung von Hot-End-Teilen für Flugzeugtriebwerke verwendet werden.
Titanlegierung: Durch Feinabstimmung-der Elektrolytformel können Ti6Al4V und löslicher Träger zusammenarbeiten.
Refraktäre Metalle: Um die Unterstützung durch hoch{0}schmelzende- Metalle wie Wolfram und Tantal zu entfernen, müssen wir elektrochemische Systeme schaffen, die bei hohen Temperaturen arbeiten.
3, Prozessoptimierung: Den Sprung vom Labor zur Produktionslinie schaffen
Um die lösliche Trägertechnologie zu industrialisieren, müssen drei erhebliche Prozessengpässe überwunden werden:
Verbesserung der Korrosionseffizienz: Elektrochemische Impulstechnologie: Sie trägt dazu bei, Korrosionsprodukte zu entfernen und verhindert die Bildung von Passivierungsschichten durch Ein- und Ausschalten des Stroms. Beispielsweise kann eine gepulste Spannung dazu führen, dass Kohlenstoffstahl dreimal schneller korrodiert.
Ultraschall-Hilfe: Die Zugabe von Ultraschallwellen zum Elektrolyten beschleunigt den Stoffaustausch durch Kavitation, wodurch die Korrosionszeit um mehr als 50 % verkürzt wird.
Qualitätskontrolle der Oberfläche:
System für zirkulierende Elektrolyte: Das Pumpen zirkulierender Elektrolyte verhindert eine Verschlechterung der Oberflächenrauheit, indem lokale Konzentrationsunterschiede verhindert werden. Beispielsweise kann ein Sprühkorrosionstank die Oberfläche von Gegenständen weniger rau machen, von Ra10 μm bis Ra2 μm.
Polieren nach der Behandlung: Elektrochemische Korrosion kann zusammen mit berührungslosen Methoden wie dem magnetorheologischen Polieren eine Oberfläche spiegelglatt machen (Ra<0.1 μ m).
Automatisierte Integration:
System zur Online-Suche: Industrielle CT ermöglicht die Echtzeitüberwachung von unterstützenden Rückständen und die dynamische Anpassung von Korrosionsparametern. Beispielsweise kann das Smart Clean-System von GE Additive automatisch Stützpunkte finden und die Verteilung der Stromdichte verbessern.
Regelung im geschlossenen Regelkreis: Verwenden Sie Methoden des maschinellen Lernens, um ein Modell zu entwickeln, das die Korrosionsrate vorhersagt, sodass Prozessparameter automatisch geändert werden können. Nachdem ein Flugzeughersteller diese Technik eingesetzt hatte, stieg die Rate der Stützungsentfernung von 70 % auf 99 %.
4. Industrielle Anwendungsperspektiven: von komplizierten Strukturen bis zur Massenproduktion
In der realen Produktion-hat sich die lösliche Trägertechnologie als äußerst nützlich erwiesen:
Im Luft- und Raumfahrtbereich verwendet GE Aviation den löslichen Trägerdruck zur Herstellung der Inconel 718-Brennkammer. Dadurch verkürzt sich die Zeit zum Entfernen des Trägers von 40 Stunden auf 8 Stunden und es entstehen keine Spuren mechanischer Beschädigungen auf der Oberfläche.
Ein Satellitenhersteller hat erfolgreich einen Wärmetauscher mit 2000 Mikrokanälen unter Verwendung der löslichen Trägertechnologie gedruckt. Die Kanäle sind nur 0,5 mm breit und die Pulverrückstandsrate beträgt weniger als 0,1 %.
Medizinische Implantate: Personalisiertes Hüftgelenk: Johnson&Johnson Medical verwendet lösliche Träger, um Ti6Al4V-Hüftgelenke mit einer Oberflächenrauheit von Ra0,8 μm zu drucken. Dies entspricht den Standards für orthopädische Implantate und vermeidet Probleme mit der Oberflächenhärtung, die bei herkömmlicher Bearbeitung auftreten können.
Zahnimplantate: Ein Dentalunternehmen hat mithilfe der löslichen Trägertechnologie die Zeit zum Drucken von Implantaten von drei Tagen auf einen Tag verkürzt. Dadurch wurden die Preise um 40 % gesenkt.
Herstellung von Formen: Eine flexible Kühlform wird durch die Kombination von Formstahl (wie H13) mit einem löslichen Träger hergestellt. Dadurch können Sie komplizierte Kühlkanäle drucken. Als diese Technik in einem bestimmten Automobilformwerk eingesetzt wurde, stieg die Kühleffizienz der Form um 30 % und die Zeit, die zur Herstellung einer Form benötigt wurde, sank um 25 %.