Miért kell eltávolítani a fém 3D nyomtatás tartószerkezetét?

1. A tartószerkezetek fő feladata, és hogyan változtak az idők során
Fizikai akadályok a termodinamika szabályozásához
A fém 3D nyomtatási folyamata során a lézer- vagy elektronsugarak kis helyeken nagyon magas (2000 fok feletti) hőmérsékletet hoznak létre, aminek következtében az anyag nagyon gyorsan folyékonyból szilárd halmazállapotúvá változik. A tartószerkezet ebben a folyamatban két célt szolgál. Először is, mint hővezető közeg, gyorsan továbbítja a hőt a felfüggesztett területről az aljzatra, ami megakadályozza, hogy a helyi túlmelegedés miatt kialakuljon a maradék feszültség. Másodszor, a fém áramlásának korlátozásával megakadályozza, hogy az olvadt medence a gravitáció miatt összeessen. Például egy titánötvözet járókerék nyomtatása során a tartószerkezet 60%-kal csökkentheti a hőfeszültséget, ha a felfüggesztési szög kisebb, mint 45 fok. Ez 32%-ról 5%-nál kisebbre csökkenti az alkatrészek vetemedési deformációját.
A folyamatiteráció elkerülhetetlen eredménye
A korai fém 3D nyomtatógépeknek sok tartószerkezetre volt szükségük, mert nem tudták túl jól kezelni az energiasűrűséget. A modern SLM-eszközök „adaptív támogatást” nyújthatnak a lézerteljesítmény-sűrűség dinamikus módosításával, köszönhetően a multi-fizikai csatolási modellezési technológiák fejlesztésének. A Leiming Laser LiM-X260A készüléke például optimalizált szkennelési algoritmusok segítségével 5 fok és 35 fok közötti kis szögben is sikeresen nyomtatott felfüggesztett szerkezeteket bármilyen támogatás nélkül. Ez 78%-kal csökkentette a szükséges segédanyagok mennyiségét. De ez a technológia még mindig csak bizonyos típusú anyagok és formák esetén hasznos.
2. A tartószerkezetben még mindig vannak végzetes hibák
Az anyagtulajdonságok láthatatlan gyilkosai
A tartószerkezet és a nyomdatest anyagfelülete elrendezésükben nagyon különbözik egymástól. Ha 316L-es rozsdamentes acéllal nyomtat, durva oszlopos kristályok képződhetnek a rácstartó és a szilárd anyag találkozásánál. Ez a területet 15-20%-kal puhábbá és 40%-kal kevésbé tartóssá teszi. A támasztómaradványok „kis anódos nagy katód” hatása elektrokémiai korróziót idézhet elő, ami nagyon káros olyan fontos alkatrészekre, mint a repülőgép-hajtóművek turbinatárcsái, mivel 3-5-szörösére gyorsítja a korróziós sebességet.
Károsító hatások a formák pontosságára
A tartószerkezet és az alkatrész felülete közötti érintkezési pont 0,1-0,3 mm vastag átmeneti réteget hoz létre. Ennek a rétegnek valószínűleg felületi hibái lesznek, ha mechanikusan eltávolítják. Például a GE Aviation üzemanyagfúvókája belső áramlási csatornával rendelkezik, amelynek átmérője mindössze 2 mm. Ha van maradék támaszték, az áramlási csatorna szakasz több mint 8%-kal meghajolhat, ami közvetlenül befolyásolja az üzemanyag porlasztási hatását. Még az élvonalbeli technikák, például az elektrokémiai oldás mellett is előfordulhat lokális korrózió 0,05 mm-es szinten, ha az áramsűrűség nem egyenletesen oszlik el.
A költségkontroll gyenge pontja
A tartószerkezet készítéséhez felhasznált anyag költsége a fém 3D nyomtatás összköltségének körülbelül 12-18%-át teszi ki. A nikkel{4}}alapú, magas hőmérsékletű Az utófeldolgozási fázis{8}bérköltsége sokkal aggasztóbb, mert akár 25-30% is lehet. A BMW IDAM automatizált gyártósoron az embereknek továbbra is segíteniük kell az eltávolítási folyamatban, ami egy jelentős szűk keresztmetszetgé vált, amely megakadályozza, hogy a teljes folyamat automatizálódjon.
3. Áttörések és problémák az eltávolítást segítő technológiával
Forradalom a precíziós mechanikus eltávolításban
A hagyományos mechanikai eljárásokkal, mint a huzalvágás és marás, két fő probléma van: egyrészt nehéz hozzájutni a bonyolult belső üregszerkezetek miatt, másrészt nehéz mikrométeres szinten ellenőrizni őket. A Rivelin Robotics NetShape robotrendszere 0,1 N pontossággal tudja szabályozni az érintkezési erőt egy erő-visszacsatolás vezérlő algoritmus segítségével. 3D vizuális pozicionáló rendszerrel együtt alkalmazva automatikusan meg tudja találni és eltávolítani a támasztómaradványokat, ami simábbá teszi a felületet (Ra6,3 μm-től Ra1,6 μm-ig), és 10-szeresére gyorsítja a feldolgozást.
Szelektív áttörés a kémiai maratásban
Az Arizona State University által kifejlesztett elektrokémiailag támogatott eltávolítási technológia a szelektív feloldódást differenciális potenciálmező létrehozásával éri el. A 304-es rozsdamentes acél/szénacél rendszerben a 41 tömeg%-os salétromsavoldat és az oxigén kombinációja 6 óra alatt teljesen eltávolítja a 7 mm vastag szénacél hordozót. A rozsdamentes acél hordozó korróziós sebességét is 0,002 mm/h alatt tartja. Ezt a technológiát orvosi implantátumok készítésére használták, így a támaszték eltávolításához szükséges idő 48 óráról 8 órára csökken.
Intelligens algoritmusok segítségével előrejelzéseket készíteni a dolgok javításáról
A Materialize belga startup olyan Magics nevű szoftvert gyárt, amely gépi tanulási modellek segítségével képes automatikusan felépíteni a legjobb támogató struktúrákat. A rendszer 100 000 folyamatadat-készletből tanul, és előre tudja jelezni, hogy a termikus feszültség hogyan terjed el a különböző alakzatokban. Az alátámasztási sűrűséget és az érintkezési felületet önmagában is megváltoztathatja. A repülőgép szerkezetének egy bizonyos részének kinyomtatása során az optimalizált támogatási módszer 42%-kal csökkentette az anyagfelhasználást és 65%-kal az utófeldolgozási időt{6}.