Onko liukoinen tuki mahdollista metallien 3D-tulostuksessa?

1. Tekninen periaate: Uhrautuva anodi sähkökemialliseen läpimurtoon
Uhrautuva anodisuojausmenetelmä, joka käyttää elektrolyytissä olevien kahden metallin välistä potentiaalieroa aiheuttamaan selektiivistä korroosiota, on liukoisen tukitekniikan perusta. Metallin 3D-tulostuksessa tätä tekniikkaa käytetään uudella tavalla osan rungon erottamiseen tukirakenteesta:
Oikeiden materiaalien valitseminen: Käytä osissa metalleja, jotka eivät ruostu (kuten ruostumatonta terästä), ja kannakkeina ruostumattomia metalleja (kuten vähähiilistä terästä). Esimerkiksi Arizona State University -tiimi käytti AISI 431 ruostumattoman teräksen (osien) ja Metco 91 vähähiilisen teräksen (tukiin) sekoitusta saadakseen tuet liukenemaan typpihappoon vahingoittamatta osien pintoja.
Sähkökemiallinen nopeus-: Pelkän typpihapon käyttö hidastaa korroosiota (se liuottaa vain 1,4 mm hiiliterästä 10 tunnissa), mutta lisäämällä happikuplia se tapahtuu kuusi kertaa nopeammin. Happi hajottaa hiiliteräksen pinnalla olevan passivointikerroksen, nopeuttaa korroosiovirran kehittymistä ja liuottaa viimeiset 7 mm hiiliterästä kokonaan 6 tunnissa.
Kontrolli, joka on selektiivinen: Tukimateriaalien elektrolyyttien liukoisuusselektiivisyyden on oltava yli 100:1. Esimerkiksi typpihappo syö hiiliteräksen yli 1000 kertaa nopeammin kuin ruostumaton teräs, mikä tarkoittaa, että komponentin runko ei vahingoitu.
2. Materiaalien yhteensopivuus: Metallurgiset rajoitukset ja korjaustoimenpiteet
Liukoisen tuen käyttäminen teollisuudessa vaatii kaksi suurta materiaalitieteen ongelmaa:
Metallurginen yhteensopivuus: Sekä tukimateriaalien että komponenttimateriaalien on täytettävä seuraavat ehdot:
Kiteen rakenteellinen samankaltaisuus: estää rajapinnan jännityshalkeilut, joita voi tapahtua, kun lämpölaajenemiskertoimet ovat erilaiset. Esimerkiksi vähähiilisellä-teräksellä ja ruostumattomalla teräksellä on molemmilla pinta-keskitetty kuutiorakenne ja lämpölaajenemiskerroin ero on alle 10 %. Tämä tarkoittaa, että ne kestävät korkeita lämpötilan muutoksia metallin 3D-tulostuksen aikana.
Pysy kaukana metallien välisistä yhdisteistä: Jotkin materiaaliyhdistelmät, kuten titaani ja alumiiniseokset, ovat todennäköisemmin hauraita korkeissa lämpötiloissa. Tämän välttämiseksi sinun on säädettävä prosessiparametreja tai rakennettava välikerros.
Materiaalijärjestelmän laajentaminen: Nykyiset tutkimukset ovat osoittaneet, että ruostumaton teräs{0}}hiiliteräsjärjestelmä on mahdollinen, ja lisää materiaalien yhdistelmiä on tehtävä tulevaisuudessa.
Korkean lämpötilan{0}}seos: Inconel 718:aa ja tiettyjä suoja-anodimateriaaleja voidaan käyttää yhdessä lentokoneiden moottoreiden kuumapään osien valmistukseen.
Titaaniseos: hienosäätämällä{0}}elektrolyyttikaavaa Ti6Al4V ja liukoinen kantaja voivat toimia yhdessä.
Tulenkestävät metallit: Poistaaksemme tuen korkean -sulamispisteen-metallien, kuten volframin ja tantaalin, avulla meidän on luotava sähkökemiallisia järjestelmiä, jotka toimivat korkeissa lämpötiloissa.
3, Prosessin optimointi: hyppääminen laboratoriosta tuotantolinjalle
Liukoisen tukiteknologian teollistamiseksi on voitettava kolme merkittävää prosessin pullonkaulaa:
Korroosion tehokkuuden parantaminen: Pulssisähkökemiallinen tekniikka: Se auttaa poistamaan korroosiotuotteita ja pysäyttää passivointikerrosten muodostumisen kytkemällä virran päälle ja pois. Esimerkiksi pulssijännite voi saada hiiliteräksen syöpymään kolme kertaa nopeammin.
Ultraääniapu: Ultraääniaaltojen lisääminen elektrolyyttiin nopeuttaa massan siirtoa aiheuttamalla kavitaatiota, mikä lyhentää korroosioaikaa yli 50 %.
Pinnan laadunvalvonta:
Kiertoelektrolyyttien järjestelmä: Kierrättävien elektrolyyttien pumppaus estää pinnan epätasaisuuksien pahenemisen estämällä paikallisia pitoisuuseroja. Esimerkiksi ruiskukorroosiosäiliö voi tehdä esineiden pinnasta vähemmän karheaksi, Ra10 μm:stä Ra2 μm:iin.
Käsittelyn jälkeinen kiillotus: Sähkökemiallinen korroosio sekä kosketuksettomat{0}}menetelmät, kuten magnetorheologinen kiillotus, voivat tehdä pinnasta yhtä tasaisen kuin peili (Ra<0.1 μ m).
Automaattinen integrointi:
Järjestelmä asioiden etsimiseen verkosta: Teollinen CT mahdollistaa tukijäämien reaaliaikaisen-seurannan ja korroosioparametrien dynaamisen säätämisen. Esimerkiksi GE Additive Smart Clean -järjestelmä voi löytää automaattisesti tukipisteitä ja parantaa virrantiheyden jakautumista.
Suljetun silmukan ohjaus: Käytä koneoppimismenetelmiä mallin kehittämiseen, joka ennustaa korroosion nopeuden, jotta prosessiparametreja voidaan muuttaa automaattisesti. Kun yksi lentokoneyhtiö käytti tätä tekniikkaa, tuen poistoaste nousi 70 prosentista 99 prosenttiin.
4. Teollisuuden sovellusnäkymät: monimutkaisista rakenteista massatuotantoon
Todellisessa-tuotannossa liukoinen tukiteknologia on osoittautunut varsin hyödylliseksi:
Ilmailualalla GE Aviation käyttää liukoista tukitulostusta Inconel 718 -polttokammion valmistukseen. Tämä lyhentää tuen poistamiseen kuluvaa aikaa 40 tunnista 8 tuntiin, eikä pinnassa ole merkkejä mekaanisista vaurioista.
Satelliittivalmistaja on onnistuneesti tulostanut lämmönvaihtimen, jossa on 2000 mikrokanavaa liukoista tukitekniikkaa hyödyntäen. Kanavat ovat vain 0,5 mm leveitä ja jauheen jäännösmäärä on alle 0,1 %.
Lääketieteelliset implantit: Henkilökohtaiset lonkkanivelet: Johnson&Johnson Medical käyttää liukoista tukea tulostaakseen Ti6Al4V-lonkkaniveliä, joiden pinnan karheus on Ra0,8 μm. Tämä täyttää ortopedisten implanttien standardit ja välttää pintakarkaisuongelmia, joita voi tapahtua perinteisessä koneistuksessa.
Hammasimplantit: Hammaslääketieteen yritys on lyhentänyt implanttien tulostamiseen kuluvaa aikaa kolmesta päivästä yhteen päivään käyttämällä liukoista tukitekniikkaa. Tämä on laskenut hintoja 40 prosenttia.
Muottien valmistus: Joustava jäähdytysmuotti valmistetaan yhdistämällä muottiteräs (kuten H13) liukoiseen kantajaan. Näin voit tulostaa monimutkaisia ​​jäähdytyskanavia. Kun tätä tekniikkaa käytettiin tietyssä autojen muottitehtaassa, muotin jäähdytysteho nousi 30 % ja muotin tekemiseen käytetty aika väheni 25 %.