De ce trebuie îndepărtată structura metalică de susținere a imprimării 3D?

1. Principala sarcină de susținere a structurilor și modul în care acestea s-au schimbat în timp
Bariere fizice pentru controlul termodinamicii
În timpul procesului de imprimare 3D din metal, fasciculele laser sau de electroni creează temperaturi foarte ridicate (peste 2000 de grade) în locuri mici, ceea ce face ca materialul să se schimbe foarte repede dintr-un lichid într-un solid. Structura de susținere are două scopuri în acest proces. În primul rând, ca mediu de conducție termică, mută rapid căldura din zona suspendată către substrat, ceea ce împiedică acumularea stresului rezidual din cauza supraîncălzirii locale. În al doilea rând, limitând fluxul de metal, împiedică prăbușirea bazinului topit din cauza gravitației. De exemplu, în timp ce imprimați un rotor din aliaj de titan, structura suport poate reduce stresul termic cu 60% atunci când unghiul de suspensie este mai mic de 45 de grade. Acest lucru scade rata deformarii prin deformare a pieselor de la 32% la mai putin de 5%.
Rezultatul inevitabil al iterației procesului
Mașinile de imprimare 3D din metal timpuriu aveau nevoie de multe structuri de susținere, deoarece nu puteau gestiona foarte bine densitatea de energie. Dispozitivele SLM moderne pot oferi „suport adaptiv” prin modificarea dinamică a densității de putere a laserului datorită dezvoltării tehnologiilor de modelare a cuplajului multi-fizic. Dispozitivul LiM-X260A de la Leiming Laser, de exemplu, a imprimat cu succes structuri suspendate fără nici un suport la unghiuri mici de 5 grade -35 grade, utilizând algoritmi de scanare optimizați. Acest lucru a redus cantitatea de materiale suport necesare cu 78%. Dar această tehnologie este încă utilă doar pentru anumite tipuri de materiale și forme.
2. Defecte fatale încă prezente în structura de susținere
Ucigași nevăzuți ai proprietăților materialelor
Interfața materială a structurii de susținere și a corpului de imprimare sunt foarte diferite una de cealaltă în ceea ce privește modul în care sunt organizate. La imprimarea cu oțel inoxidabil 316L, la joncțiunea dintre suportul grilei și solid se pot forma cristale coloane grosiere. Acest lucru face ca zona să fie cu 15% până la 20% mai moale și cu 40% mai puțin durabilă. Efectul „anod mic catod mare” al reziduurilor de susținere poate produce coroziune electrochimică, ceea ce este foarte rău pentru părți importante, cum ar fi discurile de turbină din motoarele de avioane, deoarece accelerează viteza de coroziune de 3 până la 5 ori.
Efecte dăunătoare asupra preciziei formelor
Punctul de contact dintre structura de susținere și suprafața componentei va crea un strat de tranziție cu o grosime de 0,1 până la 0,3 mm. Acest strat este probabil să aibă defecte de suprafață atunci când este îndepărtat mecanic. De exemplu, duza de combustibil de la GE Aviation are un canal de curgere intern care are doar 2 mm în diametru. Dacă există suport rezidual, secțiunea canalului de curgere se poate îndoi cu mai mult de 8%, ceea ce afectează direct efectul de atomizare a combustibilului. Chiar și cu tehnici-de ultimă generație, cum ar fi dizolvarea electrochimică, coroziunea localizată la nivelul de 0,05 mm poate apărea dacă densitatea curentului nu este distribuită uniform.
Punctul slab al controlului costurilor
Costul materialului utilizat pentru realizarea structurii de susținere reprezintă aproximativ 12% până la 18% din costul total al imprimării 3D din metal. Costul aliajelor de-nichel cu temperatură înaltă-depășește 2000 USD per kilogram, iar aruncarea materialelor suplimentare este prea multă muncă. Costul forței de muncă din faza de post-procesare este mult mai îngrijorător, deoarece ar putea fi de la 25% până la 30%. În linia de producție automată BMW IDAM, oamenii încă mai trebuie să ajute cu procesul de îndepărtare, care a devenit un blocaj major care oprește automatizarea întregului proces.
3. Descoperiri și probleme cu tehnologia care ajută la eliminare
O revoluție în îndepărtarea mecanică de precizie
Există două probleme principale cu procesele mecanice tradiționale, cum ar fi tăierea și frezarea sârmei: în primul rând, sunt greu de atins din cauza structurilor complexe de cavități interioare și, în al doilea rând, sunt greu de controlat la nivel de micrometru. Sistemul robot NetShape de la Rivelin Robotics poate regla forța de contact până la 0,1 N folosind un algoritm de control al feedback-ului forței. Când este utilizat cu un sistem de poziționare vizuală 3D, poate găsi și îndepărta automat reziduurile de suport, ceea ce face suprafața mai netedă (de la Ra6,3 μm la Ra1,6 μm) și accelerează procesarea de 10 ori.
Revoluție selectivă în gravarea chimică
Tehnologia de îndepărtare susținută electrochimic dezvoltată de Universitatea de Stat din Arizona realizează dizolvarea selectivă prin crearea unui câmp potențial diferențial. În sistemul de oțel inoxidabil 304/oțel carbon, combinația de 41% în greutate soluție de acid azotic și oxigen poate îndepărta complet suportul de oțel carbon de 7 mm grosime în 6 ore. De asemenea, menține rata de coroziune a substratului din oțel inoxidabil sub 0,002 mm/h. Această tehnologie a fost folosită pentru realizarea implanturilor medicale, reducând timpul necesar pentru îndepărtarea suportului de la 48 de ore la 8 ore.
Folosind algoritmi inteligenți pentru a face predicții despre cum să îmbunătățiți lucrurile
Startup-ul belgian Materialise produce software numit Magics care poate folosi modele de învățare automată pentru a construi automat cele mai bune structuri de suport. Sistemul învață din 100.000 de seturi de date de proces și poate prognoza modul în care stresul termic se va răspândi în diferite forme. De asemenea, poate modifica singur densitatea suportului și zona de contact. Când imprimați o anumită parte a structurii unui avion, metoda de asistență optimizată reduce utilizarea materialului cu 42% și timpul de post-procesare cu 65%.