Miksi metallinen 3D-tulostuksen tukirakenne on poistettava?

1. Kantavien rakenteiden päätehtävä ja kuinka ne ovat muuttuneet ajan myötä
Fyysiset esteet termodynamiikan ohjaamiseen
Metallin 3D-tulostusprosessin aikana laser- tai elektronisäteet luovat erittäin korkeita lämpötiloja (yli 2000 astetta) pienissä paikoissa, mikä saa materiaalin muuttumaan nestemäisestä kiinteäksi erittäin nopeasti. Tukirakenne palvelee tässä prosessissa kahta tarkoitusta. Ensinnäkin se lämmönjohtavana väliaineena siirtää nopeasti lämpöä ripustusalueelta alustalle, mikä estää jäännösjännityksen muodostumisen paikallisen ylikuumenemisen vuoksi. Toiseksi, rajoittamalla metallin virtausta, se pitää sulan altaan romahtamasta painovoiman vaikutuksesta. Esimerkiksi titaaniseoksesta siipipyörää painettaessa tukirakenne voi vähentää lämpöjännitystä 60 %, kun ripustuskulma on alle 45 astetta. Tämä alentaa osien vääntymisen muodonmuutosastetta 32 %:sta alle 5 %:iin.
Prosessin iteroinnin väistämätön tulos
Varhaiset metalliset 3D-tulostuskoneet tarvitsivat paljon tukirakenteita, koska ne eivät pystyneet hallitsemaan energiatiheyttä kovin hyvin. Nykyaikaiset SLM-laitteet voivat tarjota "mukautuvaa tukea" muokkaamalla dynaamisesti laserin tehotiheyttä moni-fysiikan kytkentämallinnustekniikoiden kehityksen ansiosta. Esimerkiksi Leiming Laserin LiM-X260A-laite on onnistuneesti tulostanut ripustettuja rakenteita ilman tukea pienissä 5 asteen -35 asteen kulmissa käyttämällä optimoituja skannausalgoritmeja. Tämä vähensi tarvittavien tukimateriaalien määrää 78 %. Mutta tämä tekniikka on silti hyödyllinen vain tietyntyyppisille materiaaleille ja muodoille.
2. Tukirakenteessa on edelleen vakavia puutteita
Näkymättömät materiaalin ominaisuuksien tappajat
Tukirakenteen ja painorungon materiaalirajapinta eroavat toisistaan ​​hyvin järjestelyn suhteen. Kun tulostetaan 316L ruostumattomalla teräksellä, ristikkotuen ja kiinteän aineen liitoskohtaan voi muodostua karkeita pylväskiteitä. Tämä tekee alueesta 15–20 % pehmeämmän ja 40 % vähemmän kestävän. Kantavien jäännösten "pienen anodin suuren katodin" vaikutus voi aiheuttaa sähkökemiallista korroosiota, mikä on erittäin huonoa tärkeille osille, kuten lentokoneiden moottoreiden turbiinilevyille, koska se nopeuttaa korroosion nopeutta 3-5 kertaa.
Vahingoittavia vaikutuksia muotojen tarkkuuteen
Tukirakenteen ja komponentin pinnan välinen kosketuskohta muodostaa 0,1-0,3 mm paksuisen siirtymäkerroksen. Tässä kerroksessa on todennäköisesti pintavirheitä, kun se poistetaan mekaanisesti. Esimerkiksi GE Aviationin polttoainesuuttimessa on sisäinen virtauskanava, jonka halkaisija on vain 2 mm. Jos jäännöstukea on, virtauskanavan osa voi taipua yli 8%, mikä vaikuttaa suoraan polttoaineen sumutusvaikutukseen. Jopa uusimmilla-tekniikoilla, kuten sähkökemiallisella liukenemisella, paikallinen korroosio 0,05 mm:n tasolla voi silti tapahtua, jos virrantiheys ei ole jakautunut tasaisesti.
Kustannushallinnan heikko kohta
Tukirakenteen valmistukseen käytetyn materiaalin hinta on noin 12-18 % metallin 3D-tulostuksen kokonaiskustannuksista. Nikkeli-pohjaisten korkean lämpötilan-seosten hinta on yli 2000 dollaria kilogrammalta, ja ylimääräisten materiaalien hävittäminen on liikaa työtä. Jälkikäsittelyvaiheen{8}}työkustannukset ovat paljon huolestuttavampia, koska ne voivat olla jopa 25–30 %. BMW IDAM automatisoidulla tuotantolinjalla ihmisten on edelleen autettava poistoprosessissa, josta on tullut merkittävä pullonkaula, joka estää koko prosessin automatisoitumisen.
3. Poistamista helpottavan tekniikan läpimurtoja ja ongelmia
Vallankumous tarkkuusmekaanisessa irrotuksessa
Perinteisissä mekaanisissa prosesseissa, kuten langanleikkauksessa ja jyrsinnässä, on kaksi pääongelmaa: ensinnäkin niihin on vaikea päästä käsiksi monimutkaisten sisäontelorakenteiden vuoksi ja toiseksi niitä on vaikea hallita mikrometritasolla. Rivelin Roboticsin NetShape-robottijärjestelmä voi säädellä kosketusvoimaa 0,1 N tarkkuudella käyttämällä voiman takaisinkytkennän ohjausalgoritmia. 3D-visuaalisen paikannusjärjestelmän kanssa käytettynä se löytää ja poistaa automaattisesti tukijäämät, mikä tekee pinnasta tasaisemman (Ra6,3 μm:stä Ra1,6 μm:iin) ja nopeuttaa käsittelyä 10 kertaa.
Valikoiva läpimurto kemiallisessa etsauksessa
Arizona State Universityn kehittämä sähkökemiallisesti tuettu poistotekniikka saavuttaa selektiivisen liukenemisen luomalla differentiaalisen potentiaalikentän. 304 ruostumaton teräs/hiiliteräs -järjestelmässä 41 painoprosenttisen typpihappoliuoksen ja hapen yhdistelmä voi poistaa 7 mm paksun hiiliterästuen kokonaan 6 tunnissa. Se pitää myös ruostumattoman teräsalustan korroosionopeuden alle 0,002 mm/h. Tätä tekniikkaa on käytetty lääketieteellisten implanttien valmistukseen, mikä lyhentää tuen poistamiseen kuluvaa aikaa 48 tunnista 8 tuntiin.
Älykkäiden algoritmien käyttäminen ennusteiden tekemiseen asioiden parantamisesta
Belgialainen startup Materialize valmistaa Magics-nimistä ohjelmistoa, joka pystyy koneoppimismallien avulla rakentamaan automaattisesti parhaat tukirakenteet. Järjestelmä oppii 100 000 prosessitiedon sarjasta ja voi ennustaa, kuinka lämpöjännitys leviää eri muotoihin. Se voi myös muuttaa tukitiheyttä ja kosketuspinta-alaa itsestään. Kun tulostetaan tietty osa lentokoneen rakenteesta, optimoitu tukimenetelmä lyhensi materiaalin käyttöä 42 % ja jälkikäsittelyaikaa 65 %.