Das Hinzufügen und Entfernen von Stützstrukturen ist seit langem eine Herausforderung in der additiven Metallfertigung (AM). Am Beispiel des direkten Metall-Lasersinterns (DMLS) muss das Modell vor dem Drucken mit Stützstrukturen voreingestellt werden, um Verformungen durch thermische Spannungen zu vermeiden und Wärme vom Schmelzbad abzuleiten. Diese Halterungen sind Teil der Konstruktion und Fertigung als Ganzes. Nach dem Bau wurde die Tragkonstruktion demontiert und entsorgt. Ohne Stützen ist es schwierig, freitragende Strukturen unterhalb eines bestimmten Neigungswinkels (normalerweise um 45 Grad) zu drucken, was die Optionen für Benutzer von Metall-3D-Drucksystemen oft einschränkt und auch viele Ausrüstungs-OEMs und Softwareunternehmen für additive Fertigung bringt. eine große Herausforderung.
Um die oben genannten Probleme zu lösen, haben Experten des EOS-Unternehmens Additive Minds nun verschiedene Prozessoptimierungstechniken entwickelt, um 3D-gedruckte Teile ohne Stützstrukturen wie Statorringe, Gehäuse, Turbopumpen, Öltanks, Wärmetauscher, Ventile und Laufräder herzustellen Das geschlossene Laufrad ist einer der typischeren Fälle. Durch optimierte Konstruktionssoftware und Parameterpakete ermöglicht EOS Benutzern, Ausleger und Brücken mit geringeren Winkeln (manchmal sogar null) zu drucken, wodurch weitaus weniger oder keine Stützen erforderlich sind.
Die trägerlose additive Fertigung spart zudem viel Zeit in der Nachbearbeitung, da keine zusätzlichen Stützen entfernt werden müssen. Bei der manuellen Entnahme wird dadurch auch Zeit und Energie der Mitarbeiter für andere Arbeiten frei. Die Herstellung von Teilen ohne Stützstruktur reduziert auch den Materialabfall, da nichts weggeworfen wird und alle Aspekte der Teile- und Stützkonstruktion erforderlich sind. Dies ist jedoch kein einfacher Prozess, und Softwaredesign-Experten und -Hersteller arbeiten seit Jahren an der Herausforderung des nicht unterstützten Designs.
In diesem Artikel wird hauptsächlich gezeigt, wie die Experten von EOS das freitragende Verfahren zum Bau des Laufrads nutzen. Geschlossene oder ummantelte Laufräder werden in vielen Branchen eingesetzt und unterscheiden sich stark in Größe, Form, Material und Leistungsanforderungen. Geschlossene Laufräder sind oft extremen Bedingungen wie hohen Drehzahlen, stark korrosiven Medien und mechanischen Belastungen durch extreme Temperaturen ausgesetzt. Zum Beispiel Turbopumpenanwendungen in Weltraumraketen, Kompressionssysteme in Mikroturbinen und Meerwasserpumpen in Öl- und Gasanwendungen.
Unterstützen Sie Designanforderungen im traditionellen Metall-3D-Druck
Das Entwerfen von 3D-gedruckten Teilen mit Stützen war ein Standardansatz für die additive Fertigung (AM). Die Anzahl, Größe und Lage der Stützen wird durch eine Reihe von Faktoren bestimmt:
Eigenspannungen beim Drucken können zu Verformungen des 3D-Modells führen. Stützen können hinzugefügt werden, um diese Verformung physikalisch zu verhindern;
Eine Unterbrechung des Recoaters, die den Zwischenaufbau des Teils beeinträchtigt, kann das Teil vibrieren lassen oder Schäden verursachen, was zu einem erfolglosen Job führt. Halterungen werden verwendet, um die Teile vor jeglichen Einflüssen durch den Beschichter zu schützen;
Die Wärmeübertragung durch die Stützen ermöglicht es den Teilen, während des Bauprozesses schneller und erfolgreicher abzukühlen und sich zu formen.
Um sicherzustellen, dass ein 3D-Drucker Teile baut und erfolgreich produziert, müssen eine Vielzahl von Gründen berücksichtigt werden, die sich auf das Support-Design auswirken, darunter:
Die Ausrichtung des Teils bestimmt, wie viel des Teils gestützt werden muss. Wenn die Teile so ausgerichtet sind, dass sich keine größere Oberfläche auf der Bauplatte befindet, ist in der Regel mehr Unterstützung erforderlich, um die oben genannten Faktoren auszugleichen.
Bei Überhängen von 45 Grad oder weniger wird im Allgemeinen davon ausgegangen, dass Stützstrukturen erforderlich sind.
Kanäle und Löcher können sich ohne Unterstützung verformen, abhängig von ihrer Größe und ob sie ineffektiv ausgerichtet sind.
Modelldesign
Ausgestattet mit dem richtigen Fachwissen und kreativen Fähigkeiten zur Problemlösung hat das Team von EOS erfolgreich neue Wege zum Entwerfen und Bauen von Modellen entwickelt und die vorgefasste Meinung „niedrige Einbrüche müssen Unterstützung hinzufügen“ mit hervorragenden Ergebnissen erschüttert. Das Laufrad, das in diesem Artikel verwendet wird, um die nicht unterstützte Struktur und die Fähigkeiten des DMLS-Prozesses zu demonstrieren, wurde von EOS Additive Minds mit einem Durchmesser von 150 mm mit 12 Schaufeln mit Überhangswinkeln bis zu 10 Grad entworfen.
Bauteilneigungsrichtung und Stützstruktur
Laufräder werden normalerweise in einer geneigten Ausrichtung gedruckt, um interne Stützen zu vermeiden, da sie schwer zu entfernen sind. Diese Ausrichtung führt jedoch typischerweise zu längeren Bauzeiten, ungleichmäßiger Oberflächenqualität und die Rundheit des Teils leidet darunter. Die planare Ausrichtung bietet mehrere Vorteile, wie z. B. kürzere Bauzeiten, bessere Rundheit und Genauigkeit sowie eine gleichmäßigere Oberflächenqualität über das gesamte Teil. Niedrige Überhänge erfordern jedoch normalerweise viel Unterstützung. Für den aktuellen DMLS-Prozess müssen größere Überhänge von weniger als 35 Grad unterstützt werden. Stützen sind erforderlich, um Wärme aus dem Schmelzbad abzuleiten, um Wiederbeschichtungskräfte und innere Bauteilspannungen auszugleichen.
Nicht unterstützte Designoptimierung
EOS reduziert die Notwendigkeit, internen Support hinzuzufügen, durch die Nutzung fortschrittlicher Modelldesigntechniken erheblich. Auch die Designoptimierung des additiven Fertigungsverfahrens ist ein weiterer wichtiger Aspekt, der mit dem Erfolg des Druckens zusammenhängt. Während interne Unterstützung vor allem durch den Einsatz angepasster Exposure-Strategien vermieden werden kann, sind oft noch externe Unterstützungsstrukturen erforderlich.
Im Laufradgehäuse dieses Artikels wurde der Boden des Teils anstelle einer festen Füllung modifiziert, indem selbsttragende Bögen und dünne Wände verwendet wurden, um eine starke Plattformverbindung zu gewährleisten und eine Verformung während des Baus zu verhindern. Dies ermöglicht die Verwendung von weniger Material als bei herkömmlichen Stents, während eine hohe Festigkeit und verbesserte maschinelle Bearbeitbarkeit bereitgestellt werden. Der Außendurchmesser des Laufrads ist geschlossen, um dem Teil beim Bau eine größere Steifigkeit zu verleihen und einen Verlust an geometrischer Genauigkeit an der Auslasskante zu verhindern. Bei diesem Laufrad ermöglicht ein fortschrittliches Design eine 15-prozentige Materialreduzierung, während es maschinenoptimiert und selbsttragend ist, ohne interne Unterstützung.
Prozessoptimierung
Das Laufrad wird im sogenannten High-Energy-DownSkin-Verfahren (Belichtungsart zum Aufbau überhängender Flächen) konstruiert. Im Wesentlichen erhöht dieses Verfahren den Energiedichteeintrag der DownSkin-Belichtung, indem die Laserleistung erhöht wird, während andere DownSkin-Parameter angepasst werden. Dies erzeugt ein größeres, aber stabileres Schmelzbad, insbesondere beim Aufbau von Überhängen auf losen Pulvern. Dieses Verfahren hat sich bei vielen Materialien bewährt, die häufig zur Herstellung von Laufrädern verwendet werden (z. B. Ti64, 316L, AlSi10Mg, In718 usw.).
Daher kann sichergestellt werden, dass alle kritischen Winkel von diesem optimierten Parameter profitieren können. Im Gegensatz zu anderen nicht unterstützten Technologien opfert der hochenergetische DownSkin-Ansatz nicht die Baugeschwindigkeit und damit den Business Case, um Support zu vermeiden.
Ohne Gegenmaßnahmen kann es beim hochenergetischen DownSkin-Verfahren aufgrund des tiefen Schmelzbades zu übergroßen Teilen in z-Richtung im DownSkin-Bereich kommen. Teile können durch Nachbearbeitung oder durch Anpassen des Designs an die richtige Größe angepasst werden. DownSkin ist auch relativ rau, aber die Rauheit ist gleichmäßig, was bei Massenoberflächen-Endbearbeitungstechniken wie Schleifflussbearbeitung hilfreich ist. Es gibt auch kaum Porosität (siehe Bild unten), die Porosität beschränkt sich auf DownSkin. Daher werden die mechanischen Gesamteigenschaften nicht beeinträchtigt und Sie können sich weiterhin auf das von EOS entwickelte hochwertige InFill-Verfahren verlassen. Daher ist auch kein sekundärer Prozess wie heißisostatisches Pressen erforderlich, um ausreichende mechanische Eigenschaften zu erhalten.
Nachbearbeitung (Abrasive Flow Machining, AM Metals)
Die Strahlbearbeitung ist eine gängige Oberflächenbearbeitungstechnik, die für strömungsbezogene Anwendungen und Innengeometrien verwendet wird. Das Schleifmittel wird durch das in der Vorrichtung gehaltene Teil gedrückt. Die Schleifpartikel in den Medien schleifen und polieren die Oberfläche entlang des Strömungswegs. Als Vorbereitung für die Innenoberflächenbearbeitung muss der geschlossene Außendurchmesser in einen offenen, in Durchmesser und Teilehöhe angepassten Durchmesser und an die Vorrichtung für den AFM-Prozess bearbeitet werden. Nach der Vorbearbeitung wird das Teil gespannt und Schleifmittel mit Hilfe der Spannvorrichtung durch das Teil geschoben. Nach dem AFM-Prozess wird das Laufrad auf die endgültige Größe bearbeitet.
Das mit Abrasive Flow Machining (AFM) behandelte Endteil
Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der 3D-Drucktechnologie werden sich 3D-gedruckte Metallteile weiter in Richtung Endverbrauchermarkt entwickeln.