האם קשה לתמוך במבנים מורכבים באמצעות הדפסת תלת מימד מתכת?

一, הצורך בתמיכה: החרב הכפולה-של הדפוס עם מבנה מורכב
בהדפסת תלת מימד מתכת, המבנה התומך משרת מטרות רבות:
תמיכה מכנית: כדי למנוע מבניינים תלויים ליפול או לשנות צורה בזמן שהם מודפסים בגלל כוח הכבידה או החום. לדוגמה, אם להבי מנועי מטוסים אין תמיכה, הקירות הדקים שלהם יכולים להתכופף בשלב ההתמצקות של בריכת ההיתוך.
ניהול תרמי: העברת חום דרך מבנים תומכים כדי לשמור על הבדלי טמפרטורה מקומיים מגדולים מדי וכדי למנוע מלחץ שיורי להצטבר. לדוגמה, בעת הדפסת שתלי סגסוגת טיטניום, התמיכה יכולה לעצור את היווצרות סדקים מיקרו כאשר החומר מתקרר מהר מדי.
יציבות התהליך: בטכנולוגיית התכה של מיטת אבקה, המסגרת התומכת שומרת על החלקים במקומם כך שהם לא יזוזו כשהאבקה זורמת או שהמגרד פוגע בהם.
אבל יש גם בעיות גדולות עם מבנים תומכים:
בזבוז חומרים: כמות החומרים התומכים יכולה להוות 30% עד 50% מהמשקל הכולל של החלקים, וקשה למחזר את כולם.
עלות עיבוד שלאחר-: הסרת תמיכה עם מכונות דורשת עבודה רבה ועלולה לגרום נזק למשטחים של החלקים. לדוגמה, שתלים רפואיים צריכים לעבור ליטוש נוסף לאחר התקנתם כדי לעמוד בתקני התאימות הביולוגית.
מגבלות בתכנון: מערכות תמיכה מסורתיות זקוקות לזווית מתלה של יותר מ-45 מעלות, מה שמקשה על השימוש בעיצובים חדשים כמו תעלות זרימה פנימיות מסובכות ומבני סריג.
2, אתגר טכני: בדיקת מאפייני החומרים ומורכבות המבנים בו זמנית
1. הבדלים במאפייני החומרים מקשים על התמיכה
האיכויות הפיזיקליות והכימיות של חומרי מתכת שונים משפיעות רבות על תהליך התמיכה:
סגסוגת טיטניום פעילה מאוד ומגיבה בקלות עם חמצן וחנקן ליצירת שכבה קשה ושבירה. יש להגן עליו מפני גז אינרטי כאשר אינו בשימוש. לדוגמה, כאשר תומכים בחלקים מודפסים Ti6Al4V, יש לשמור על כמות החמצן מתחת ל-50ppm, אחרת הם עלולים להתלקח בעצמם.
נירוסטה עמידה מאוד בפני חלודה וניתן לנקות אותה באמצעות כימיקלים או סילון מים בלחץ גבוה-. כאשר משרים להבי נירוסטה 316L בתמיסות ניקוי אלקליין ומשתמשים בניקוי קולי, ניתן להיפטר מ-99.5% מהאבקה.
לסגסוגת אלומיניום יש נקודת התכה נמוכה והיא עשויה לשנות צורה כאשר מנקים אותה בשיטות ניקוי אופייניות ברטט. כדי להסיר תמיכה מהדפסת AlSi10Mg, עליך להשתמש בטכנולוגיית סילון שלג CO₂, הפועלת על ידי פגיעה בחלקיקים מוצקים בטמפרטורה נמוכה של -78.5 מעלות מבלי לגרום לריכוז מתח תרמי.
2. הפיכת מבנים למורכבים יותר כדי להקשות על הדברים
ארכיטקטורות מורכבות מחייבות דרישות גבוהות לתהליכים לא נתמכים:
מבנה נקבובי: השכבה הנקבוביה בשתלים אורטופדיים היא בדרך כלל בעובי של פחות מ-3 מ"מ, וכמות האבקה שנותרה צריכה להיות פחות מ-0.1 מ"ג/סמ"ר. חברה רפואית מסוימת משתמשת בטכנולוגיית ספיחה ואקום ובמתקנים מסתובבים ב-360 מעלות כדי לקבל שיעור התאוששות אבקה של 98.7%.
Thin-walled structure: If the wall thickness of the aviation engine blade is less than or equal to 1 mm, it needs mechanical stress regulation to stay in place. GE משתמשת בהסרת אבקה בטמפרטורה-נמוכה (קירור עם חנקן נוזלי ב-196 מעלות) יחד עם טיפול בגיל כדי להוריד את הלחץ השיורי לפחות מ-50MPa ולעצור את היווצרות סדקים.
מבנה החלל הפנימי: כדי להוציא את תמיכת החלל הפנימי של דיסק הטורבינה, יש צורך לייצר כלים מיוחדים. לדגם דיסק טורבינה ספציפי יש פיר ליבה נשלף המשתמש בכוח צנטריפוגלי כדי לדחוף אבקה החוצה וזרימת אוויר למינרית (0.5m/s) לנשוף לאורך המשטח, העומד בתקני הניקיון של החדר הפנימי.
3, רעיונות חדשים: מהפיכת תהליכים לטובים יותר לעיצוב חכם
1. טכנולוגיית הדפסה ללא פיקוח עוקפת את גבולות ההדפסה המסורתית.
כמה מבנים מסובכים הצליחו להדפיס ללא תמיכה על ידי התאמת נתיב ההדפסה ומאפייני האבקה:
זווית קטנה שאינה נתמכת: ציוד ה-LiM-X260A מתוצרת Leiming Laser יכול להדפיס רכיבי סגסוגת טיטניום התלויים ב-5 מעלות עד 35 מעלות על ידי אופטימיזציה של צפיפות אנרגיית הלייזר ושיטת הסריקה. לחלקים צפיפות של 99.9%.
תכנון נתיב אינטליגנטי: הצוות הטקטי באקדמיה של סין לטכנולוגיית רכבי שיגור שינה את חלוקת גודל חלקיקי האבקה (D50=45 מיקרומטר) ואת מהירות סריקת הלייזר (800 מ"מ לשנייה). הם גם השתמשו בהדמיית חלוקת מתח כדי לאפשר הדפסה לא נתמכת של מבנים מורכבים של תא רקטות. דיוק פני השטח הגיע לרמת מילימטר, והצורך בעיבוד שלאחר- נחתך ב-60%.
2. מבנה התמיכה המשופר מקל על ההמראה.
תמיכה מתמוססת: אוניברסיטת אריזונה סטייט המציאה דרך להסיר תמיכה אלקטרוכימית על ידי הדפסת תומכי פלדת פחמן על חלקי נירוסטה ושימוש בתמיסת חומצה חנקתית כדי לשחוק באופן סלקטיבי את פלדת הפחמן. ניתן להסיר את התמיכה בעובי 7 מ"מ במלואה תוך פחות מ-6 שעות מבלי לפגוע במשטח החלקים.
עיצוב נקודת השבר: הוסף נקודות שבר בצורת-שעון חול למבנה התומך, והשתמש במיקומי ריכוז המתח המוגדרים- מראש כדי לשלוט על השבר. לדוגמה, לחלק אחד של רכב יש תומך בצורת שן- שניתן להסיר בקלות בכוח קטן בלבד. הנזק למשטח הוא פחות מ-0.05 מ"מ עומק.
3. אופטימיזציה של סימולציה הופכת את התמיכה לפחות נחוצה.
כלי הדמיית תהליכים, כמו VoxelDance Engineering, יכולים להבין כיצד עומס החום יתפזר במהלך ההדפסה ולשפר את תצורת התמיכה. לדוגמה, דגם אימפלר סגור חתך את כמות התמיכה הדרושה ב-60% באמצעות סימולציה, קיצץ את זמן ההדפסה ל-50 שעות, ומזער את הסיכוי להתנגשות מגרד.