Tilsetning og fjerning av støtter har lenge vært en utfordring under metalladditiv produksjon (AM). Med direkte metalllasersintring (DMLS) som et eksempel, må modellen forhåndsinnstilles med støttestrukturer før utskrift for å unngå deformasjon forårsaket av termisk stress og lede varme bort fra smeltebassenget. Disse brakettene er en del av design og produksjon som helhet. Etter bygging ble støttekonstruksjonen demontert og kassert. Uten støtte er det vanskelig å skrive ut fribærende strukturer under en viss helningsvinkel (vanligvis rundt 45 grader), noe som ofte begrenser mulighetene for brukere av metall 3D-utskriftssystemer, og også bringer mange utstyrs-OEM-er og programvareselskaper for additiv produksjon. en stor utfordring.
For å løse problemene ovenfor har eksperter fra EOS-selskapet Additive Minds nå utviklet ulike prosessoptimaliseringsteknikker for å produsere 3D-printede deler uten støttestrukturer, som statorringer, hus, turbopumper, oljetanker, varmevekslere, ventiler og impellere, hvorav det lukkede pumpehjulet er et av de mer typiske tilfellene. Gjennom optimalisert designprogramvare og parameterpakker gjør EOS brukere i stand til å skrive ut cantilevers og broer i lavere vinkler (noen ganger til og med null), noe som krever langt færre eller ingen støtte.
Ikke-støttet additiv produksjon sparer også mye tid i etterbehandlingsstadiet, siden ingen ekstra støtter må fjernes. Ved manuell fjerning frigjør dette også ansattes tid og energi til annet arbeid. Å produsere deler uten støttestruktur reduserer også materialavfall, siden ingenting blir kastet og alle aspekter av delen og støttedesignen er nødvendige. Dette er imidlertid ikke en enkel prosess, og programvaredesigneksperter og -produsenter har jobbet med utfordringen med ikke-støttet design i årevis.
I denne artikkelen er det i hovedsak vist hvordan ekspertene ved EOS bruker den ikke-støttede metoden for å konstruere impelleren. Innkapslede eller innhyllede impellere brukes i mange bransjer, og de varierer mye i størrelse, form, materiale og ytelseskrav. Lukkede impellere utsettes ofte for ekstreme forhold som høye rotasjonshastigheter, svært korrosive medier og mekaniske belastninger forårsaket av ekstreme temperaturer. For eksempel turbopumpeapplikasjoner i romraketter, kompresjonssystemer i mikroturbiner og sjøvannspumper i olje- og gassapplikasjoner.
Støtt designkrav i tradisjonell 3D-utskrift av metall
Å designe 3D-printede deler med støtte har vært en standard tilnærming til additiv produksjon (AM). Antall, størrelse og plassering av støttene bestemmes av en rekke faktorer:
Restspenninger under utskrift kan forårsake deformasjon av 3D-modellen. Støtter kan legges til for å fysisk forhindre denne deformasjonen;
Avbrudd i overmaleren som påvirker den mellomliggende konstruksjonen av delen kan vibrere delen eller forårsake skade, noe som resulterer i en mislykket jobb. Braketter brukes for å beskytte delene mot enhver påvirkning fra overlakkeren;
Varmeoverføring gjennom støtter lar deler avkjøles og dannes raskere og mer vellykket under byggeprosessen.
For å sikre at en 3D-skriver bygger og vellykket produserer deler, må en rekke årsaker som påvirker støttedesign vurderes, inkludert:
Delorienteringen bestemmer hvor mye av delen som må støttes. Vanligvis, hvis delene er orientert slik at et større overflateareal ikke er på byggeplaten, kreves det mer støtte for å kompensere for faktorene ovenfor.
Overheng på 45 grader eller mindre anses generelt for å kreve støttekonstruksjoner.
Kanaler og hull kan deformeres uten støtte, avhengig av størrelsen og om de er orientert ineffektivt.
Modelldesign
Bevæpnet med riktig ekspertise og kreative problemløsningsferdigheter har teamet hos EOS med suksess utviklet nye måter å designe og bygge modeller på, og knuse den forutinntatte oppfatningen om "lave fall må legge til støtte", med utmerkede resultater. Løftehjulet som brukes i denne artikkelen for å demonstrere den ikke-støttede strukturen og egenskapene til DMLS-prosessen ble designet av EOS Additive Minds med en diameter på 150 mm med 12 blader med overhengsvinkler ned til 10 grader.
Medlemmets helningsretning og støttestruktur
Impellere er vanligvis trykt i skrå retning for å unngå innvendige støtter da de er vanskelige å fjerne. Imidlertid resulterer denne orienteringen vanligvis i lengre byggetider, ujevn overflatekvalitet og delens rundhet lider. Plan orientering gir flere fordeler, som kortere byggetid, bedre rundhet og nøyaktighet, og en jevnere overflatekvalitet på tvers av delen. Imidlertid krever lave overheng vanligvis mye støtte. For den nåværende DMLS-prosessen må større overheng på mindre enn 35 grader støttes. Støtter er nødvendig for å spre varme fra smeltebassenget for å kompensere for overmalingskrefter og indre delspenninger.
Ustøttet designoptimalisering
EOS reduserer behovet for å legge til intern støtte betydelig ved å utnytte avanserte modelldesignteknikker. Designoptimaliseringen av den additive produksjonsprosessen er også et annet viktig aspekt som er relatert til suksessen med utskrift. Mens intern støtte primært kan unngås ved bruk av justerte eksponeringsstrategier, er det ofte fortsatt behov for eksterne støttestrukturer.
I løpehjulet til denne artikkelen, i stedet for å bruke solid fylling, ble bunnen av delen modifisert ved å bruke selvbærende buer og tynne vegger for å sikre en sterk plattformforbindelse og forhindre deformasjon under konstruksjon. Dette tillater bruk av mindre materiale enn konvensjonelle stenter samtidig som det gir høy styrke og forbedret bearbeidbarhet. Den ytre diameteren på pumpehjulet er lukket for å gi større stivhet til delen når den er bygget og for å forhindre tap av geometrisk nøyaktighet ved utløpskanten. For dette løpehjulet muliggjør en avansert design en materialreduksjon på 15 prosent, samtidig som den er maskinoptimalisert og selvbærende, uten intern støtte.
Prosessoptimalisering
Impelleren er konstruert ved hjelp av den såkalte høyenergi-Downskin-metoden (den typen eksponering som brukes til å bygge overhengende overflater). I hovedsak øker denne metoden energitettheten til DownSkin-eksponeringen ved å øke laserkraften mens du justerer andre DownSkin-parametere. Dette gir et større, men mer stabilt smeltebasseng, spesielt når man bygger overheng på løst pulver. Denne metoden har blitt brukt med hell for mange materialer som ofte brukes til å lage impellere (f.eks. Ti64, 316L, AlSi10Mg, In718, etc.).
Derfor kan det sikres at alle kritiske vinkler kan dra nytte av denne optimaliserte parameteren. I motsetning til andre teknologier som ikke støttes, ofrer den høyenergiske DownSkin-tilnærmingen ikke byggehastigheten og derfor forretningssaken for å unngå støtte.
I mangel av noen mottiltak, kan høyenergi-Downskin-metoden resultere i overdimensjonerte deler i z-retningen i DownSkin-regionen på grunn av det dype sveisebassenget. Deler kan justeres til riktig størrelse ved etterbehandling eller ved å justere designet. DownSkin er også relativt grovt, men ruheten er ensartet, noe som hjelper med bulk overflatebehandlingsteknikker som abrasive flow machining. Det er heller knapt noen porøsitet (se bildet under), porøsiteten er begrenset til DownSkin. Derfor påvirkes ikke de generelle mekaniske egenskapene, og du kan fortsatt stole på høykvalitets InFill-prosessen utviklet av EOS. Derfor er det heller ikke nødvendig med en sekundær prosess som varm isostatisk pressing for å oppnå tilstrekkelige mekaniske egenskaper.
Etterbehandling (Abrasive Flow Machining, AM Metals)
Slipende strømningsbearbeiding er en vanlig overflatebehandlingsteknikk som brukes for strømningsrelaterte applikasjoner og interne geometrier. Slipemediet skyves gjennom delen som holdes i fiksturen. De slipende partiklene i media sliper og polerer overflaten langs strømningsbanen. Som forberedelse for innvendig overflatebehandling, må den lukkede ytre diameteren maskineres til en åpen diameter og delhøyde tilpasset armaturet for AFM-prosessen. Etter forbearbeiding klemmes delen og slipemiddel skyves gjennom delen ved hjelp av klemmen. Etter AFM-prosessen maskineres impelleren til den endelige størrelsen.
Den siste delen behandlet med Abrasive Flow Machining (AFM)
Med den kontinuerlige utviklingen av 3D-utskriftsteknologi, vil 3D-printede metalldeler fortsette å utvikle seg mot sluttforbrukermarkedet.