Adăugarea și îndepărtarea suporturilor au fost de multă vreme o provocare în timpul fabricației aditive metalice (AM). Luând ca exemplu sinterizarea directă cu laser a metalelor (DMLS), modelul trebuie să fie pre-setat cu structuri suport înainte de imprimare pentru a evita deformarea cauzată de stresul termic și pentru a conduce căldura departe de bazinul topit. Aceste suporturi fac parte din proiectarea și producția în ansamblu. După construcție, structura de susținere a fost demontată și aruncată. Fără suporturi, este dificil să imprimați structuri în consolă sub un anumit unghi de înclinare (de obicei în jur de 45 de grade), ceea ce limitează adesea opțiunile pentru utilizatorii sistemelor de imprimare 3D din metal și, de asemenea, aduce multe echipamente OEM și companii de software de fabricație aditivă. o mare provocare.
Pentru a rezolva problemele de mai sus, experții de la compania EOS Additive Minds au dezvoltat acum diverse tehnici de optimizare a procesului pentru a produce piese imprimate 3D fără structuri de susținere, cum ar fi inele statorice, carcase, turbopompe, rezervoare de ulei, schimbătoare de căldură, supape și rotoare, dintre care rotorul închis este unul dintre cazurile mai tipice. Prin software de proiectare optimizat și pachete de parametri, EOS permite utilizatorilor să imprime cantilever-uri și poduri la unghiuri mai mici (uneori chiar zero), necesitând mult mai puține suporturi sau deloc.
Fabricarea aditivă neacceptată economisește, de asemenea, mult timp în etapa de post-procesare, deoarece nu trebuie îndepărtate suporturi suplimentare. În cazul îndepărtării manuale, acest lucru eliberează și timpul și energia angajaților pentru alte activități. Fabricarea pieselor fără structură de susținere reduce, de asemenea, risipa de material, deoarece nimic nu este aruncat și toate aspectele legate de proiectarea piesei și a suportului sunt necesare. Cu toate acestea, acesta nu este un proces ușor, iar experții în design software și producătorii lucrează de ani de zile la provocarea designului neacceptat.
În acest articol, se arată în principal modul în care experții de la EOS utilizează metoda neacceptată pentru a construi rotorul. Rotoarele închise sau învăluite sunt utilizate în multe industrii și variază foarte mult ca dimensiune, formă, material și cerințe de performanță. Rotoarele închise sunt adesea expuse la condiții extreme, cum ar fi viteze mari de rotație, medii foarte corozive și sarcini mecanice cauzate de temperaturi extreme. De exemplu, aplicații cu turbopompe în rachete spațiale, sisteme de compresie în micro-turbine și pompe de apă de mare în aplicații pentru petrol și gaze.
Sprijină cerințele de proiectare în imprimarea 3D tradițională din metal
Proiectarea pieselor imprimate 3D cu suporturi a fost o abordare standard a fabricației aditive (AM). Numărul, dimensiunea și locația suporturilor sunt determinate de o serie de factori:
Tensiunile reziduale în timpul imprimării pot cauza deformarea modelului 3D. Se pot adăuga suporturi pentru a preveni fizic această deformare;
Întreruperea dispozitivului de reacoperire care afectează construcția intermediară a piesei poate vibra piesa sau poate cauza deteriorarea, ducând la o lucrare nereușită. Suporturile sunt folosite pentru a proteja piesele de orice influență a aplicatorului;
Transferul de căldură prin suporturi permite pieselor să se răcească și să se formeze mai rapid și cu mai mult succes în timpul procesului de construcție.
Pentru a vă asigura că o imprimantă 3D construiește și produce cu succes piese, trebuie luate în considerare o varietate de motive care afectează proiectarea suportului, inclusiv:
Orientarea piesei determină cât de mult din piesă trebuie susținută. De obicei, dacă piesele sunt orientate astfel încât o suprafață mai mare să nu fie pe placa de construcție, este necesar mai mult suport pentru a compensa factorii de mai sus.
Se consideră, în general, că surplonțele de 45 de grade sau mai puțin necesită structuri de susținere.
Canalele și orificiile se pot deforma fără sprijin, în funcție de dimensiunea lor și dacă sunt orientate ineficient.
Design model
Înarmată cu expertiza potrivită și abilități creative de rezolvare a problemelor, echipa de la EOS a dezvoltat cu succes noi modalități de a proiecta și construi modele, spulberând noțiunea preconcepută de „scăderi mici trebuie să adauge sprijin”, cu rezultate excelente. Rotorul folosit în acest articol pentru a demonstra structura nesusținută și capacitățile procesului DMLS a fost proiectat de EOS Additive Minds cu un diametru de 150 mm, cu 12 pale cu unghiuri de înclinare până la 10 grade.
Direcția de înclinare a elementelor și structura de susținere
Rotoarele sunt de obicei imprimate într-o orientare înclinată pentru a evita suporturile interne, deoarece sunt greu de îndepărtat. Cu toate acestea, această orientare are ca rezultat, de obicei, timpi de construcție mai lungi, calitate neuniformă a suprafeței și rotunjimea piesei are de suferit. Orientarea plană oferă mai multe avantaje, cum ar fi timpi de construcție mai scurti, rotunjime și precizie mai bune și o calitate mai uniformă a suprafeței pe piesă. Cu toate acestea, depășirile joase necesită de obicei mult sprijin. Pentru procesul actual DMLS, trebuie susținute protuberanțe mai mari de mai puțin de 35 de grade. Suporturile sunt necesare pentru a disipa căldura din bazinul topit pentru a compensa forțele de acoperire și tensiunea internă a părții.
Optimizarea designului neacceptată
EOS reduce semnificativ nevoia de a adăuga suport intern prin folosirea tehnicilor avansate de proiectare a modelelor. Optimizarea designului procesului de fabricație aditivă este, de asemenea, un alt aspect important care este legat de succesul tipăririi. În timp ce sprijinul intern poate fi evitat în primul rând prin utilizarea unor strategii de expunere ajustate, structurile externe de sprijin sunt adesea necesare.
În cazul rotorului acestui articol, în loc să se utilizeze umplutură solidă, partea inferioară a piesei a fost modificată prin utilizarea arcadelor autoportante și a pereților subțiri pentru a asigura o conexiune puternică a platformei și a preveni deformarea în timpul construcției. Acest lucru permite utilizarea mai puțin material decât stenturile convenționale, oferind în același timp rezistență ridicată și prelucrabilitate îmbunătățită. Diametrul exterior al rotorului este închis pentru a oferi o rigiditate mai mare piesei atunci când este construită și pentru a preveni pierderea preciziei geometrice la marginea de ieșire. Pentru acest rotor, un design avansat permite o reducere de material cu 15%, fiind în același timp optimizat pentru mașină și autoportant, fără suport intern.
Optimizarea proceselor
Rotorul este construit folosind așa-numita metodă DownSkin de înaltă energie (tipul de expunere utilizat pentru construirea suprafețelor în sus). În esență, această metodă mărește intrarea de densitate de energie a expunerii DownSkin prin creșterea puterii laserului în timp ce ajustează alți parametri DownSkin. Acest lucru produce un bazin de topire mai mare, dar mai stabil, mai ales atunci când se construiesc protuberanțe pe pulberi libere. Această metodă a fost folosită cu succes pentru multe materiale utilizate adesea pentru fabricarea rotoarelor (de exemplu, Ti64, 316L, AlSi10Mg, In718 etc.).
Prin urmare, se poate asigura că toate unghiurile critice pot beneficia de acest parametru optimizat. Spre deosebire de alte tehnologii neacceptate, abordarea DownSkin cu energie ridicată nu sacrifică viteza de construcție și, prin urmare, cazul de afaceri pentru a evita suportul.
În absența oricăror contramăsuri, metoda DownSkin de înaltă energie poate duce la piese supradimensionate în direcția z în regiunea DownSkin datorită bazinului de sudură adânc. Piesele pot fi ajustate la dimensiunea potrivită prin post-procesare sau prin modificarea designului. DownSkin este, de asemenea, relativ dur, dar rugozitatea este uniformă, ceea ce ajută la tehnicile de finisare a suprafețelor în vrac, cum ar fi prelucrarea cu curgere abrazivă. De asemenea, nu există aproape nicio porozitate (vezi imaginea de mai jos), porozitatea este limitată la DownSkin. Prin urmare, proprietățile mecanice generale nu sunt afectate și vă puteți baza în continuare pe procesul InFill de înaltă calitate dezvoltat de EOS. Prin urmare, nu este necesar un proces secundar, cum ar fi presarea izostatică la cald, pentru a obține proprietăți mecanice suficiente.
Post-procesare (prelucrare cu curgere abrazivă, metale AM)
Prelucrarea cu curgere abrazivă este o tehnică comună de finisare a suprafeței utilizată pentru aplicații legate de curgere și geometrii interne. Materialul abraziv este împins prin partea ținută în dispozitiv. Particulele abrazive din mediu macină și lustruiesc suprafața de-a lungul căii de curgere. Ca pregătire pentru finisarea suprafeței interioare, diametrul exterior închis trebuie prelucrat într-un deschis, diametrul și înălțimea părții ajustate la dispozitivul de fixare pentru procesul AFM. După preprelucrare, piesa este prinsă și mediul abraziv este împins prin piesă cu ajutorul clemei. După procesul AFM, rotorul este prelucrat la dimensiunea finală.
Piesa finală tratată cu prelucrare cu curgere abrazivă (AFM)
Odată cu progresul continuu al tehnologiei de imprimare 3D, piesele metalice imprimate 3D vor continua să se dezvolte spre piața consumatorilor finali.