Hvorfor må støttestrukturen for 3D-utskrift av metall fjernes?

1. Hovedjobben med å støtte strukturer og hvordan de har endret seg over tid
Fysiske barrierer for å kontrollere termodynamikk
Under 3D-utskriftsprosessen av metall skaper laser- eller elektronstråler svært høye temperaturer (over 2000 grader) på små steder, noe som gjør at materialet endres fra flytende til fast stoff veldig raskt. Bærekonstruksjonen tjener to formål i denne prosessen. For det første, som et termisk ledningsmedium, flytter det raskt varme fra det suspenderte området til underlaget, noe som hindrer gjenværende spenning i å bygge seg opp på grunn av lokal overoppheting. For det andre, ved å begrense strømmen av metall, hindrer det smeltet basseng fra å kollapse på grunn av tyngdekraften. For eksempel, mens du skriver ut et titanlegeringshjul, kan støttestrukturen kutte den termiske spenningen med 60 % når suspensjonsvinkelen er mindre enn 45 grader. Dette senker delenes deformasjonshastighet fra 32 % til mindre enn 5 %.
Det uunngåelige resultatet av prosess iterasjon
Tidlige 3D-utskriftsmaskiner av metall trengte mange støttestrukturer fordi de ikke klarte å håndtere energitettheten særlig godt. Moderne SLM-enheter kan gi "adaptiv støtte" ved å dynamisk modifisere lasereffekttettheten takket være utviklingen av multi-fysikkkoblingsmodelleringsteknologier. Leiming Lasers LiM-X260A-enhet har for eksempel vellykket skrevet ut suspenderte strukturer uten støtte i små vinkler på 5 grader -35 grader ved å bruke optimaliserte skannealgoritmer. Dette reduserte mengden støttemateriale som trengs med 78 %. Men denne teknologien er fortsatt bare nyttig for visse typer materialer og former.
2. Fatale feil er fortsatt tilstede i støttestrukturen
Usynlige mordere av materialegenskaper
Materialgrensesnittet til bærestrukturen og trykkkroppen er svært forskjellige fra hverandre når det gjelder hvordan de er organisert. Ved utskrift med 316L rustfritt stål kan det dannes grove søylekrystaller i krysset mellom gitterstøtten og faststoffet. Dette gjør området 15 % til 20 % mykere og 40 % mindre holdbart. Effekten av "liten anode stor katode" av bærende rester kan produsere elektrokjemisk korrosjon, noe som er svært dårlig for viktige deler som turbinskiver i flymotorer siden det øker korrosjonshastigheten med 3 til 5 ganger.
Skadelige effekter på presisjonen til former
Kontaktpunktet mellom bærekonstruksjonen og komponentens overflate vil skape et overgangslag som er 0,1 til 0,3 mm tykt. Dette laget vil sannsynligvis ha overflatefeil når det fjernes mekanisk. For eksempel har drivstoffmunnstykket fra GE Aviation en indre strømningskanal som kun er 2 mm i diameter. Hvis det er gjenværende støtte, kan strømningskanalseksjonen bøye seg med mer enn 8 %, noe som direkte påvirker drivstoffforstøvningseffekten. Selv med banebrytende-teknikker som elektrokjemisk oppløsning, kan lokalisert korrosjon på 0,05 mm-nivået fortsatt skje hvis strømtettheten ikke er jevnt fordelt.
Det svake punktet med kostnadskontroll
Kostnaden for materialet som brukes til å lage støttestrukturen utgjør omtrent 12% til 18% av de totale kostnadene for metall 3D-utskrift. Kostnaden for nikkel-baserte-høytemperaturlegeringer er mer enn $2000 per kilogram, og å kaste ekstra materialer er for mye arbeid. Arbeidskostnaden for etter-behandlingsfasen er mye mer bekymringsfull fordi den kan være så høy som 25 % til 30 %. I BMW IDAM automatiserte produksjonslinje må folk fortsatt hjelpe til med fjerningsprosessen, som har blitt en stor flaskehals som stopper hele prosessen fra å bli automatisert.
3. Gjennombrudd og problemer med teknologi som hjelper med fjerning
En revolusjon innen presisjonsmekanisk fjerning
Det er to hovedproblemer med tradisjonelle mekaniske prosesser som trådskjæring og fresing: For det første er de vanskelige å få tak i på grunn av komplekse indre hulromsstrukturer, og for det andre er de vanskelige å kontrollere på mikrometernivå. NetShape-robotsystemet fra Rivelin Robotics kan regulere kontaktkraften til innenfor 0,1N ved hjelp av en krafttilbakemeldingskontrollalgoritme. Når det brukes med et 3D-visuelt posisjoneringssystem, kan det automatisk finne og fjerne støtterester, noe som gjør overflaten jevnere (fra Ra6,3 μm til Ra1,6 μm) og fremskynder behandlingen med 10 ganger.
Selektivt gjennombrudd innen kjemisk etsing
Den elektrokjemisk støttede fjerningsteknologien utviklet av Arizona State University oppnår selektiv oppløsning gjennom opprettelsen av et differensielt potensielt felt. I 304 rustfritt stål/karbonstål-systemet kan kombinasjonen av 41 vekt% salpetersyreløsning og oksygen fjerne den 7 mm tykke karbonstålstøtten fullstendig på 6 timer. Det holder også korrosjonshastigheten til det rustfrie stålsubstratet under 0,002 mm/t. Denne teknologien har blitt brukt til å lage medisinske implantater, og reduserer tiden det tar å fjerne støtten fra 48 timer til 8 timer.
Bruke smarte algoritmer for å lage spådommer om hvordan ting kan forbedres
Den belgiske oppstarten Materialize lager programvare kalt Magics som kan bruke maskinlæringsmodeller for automatisk å konstruere de beste støttestrukturene. Systemet lærer av 100 000 sett med prosessdata og kan forutsi hvordan termisk stress vil spre seg over forskjellige former. Den kan også endre støttetettheten og kontaktområdet på egen hånd. Når du skriver ut en bestemt del av et flys struktur, reduserer den optimaliserte støttemetoden materialbruken med 42 % og etter-behandlingstiden med 65 %.