הוספה והסרה של תומכים היו מזמן אתגר במהלך ייצור תוסף מתכת (AM). אם לוקחים כדוגמה את הדגם ישיר בלייזר מתכת (DMLS), יש להגדיר מראש את הדגם עם מבני תמיכה לפני ההדפסה כדי למנוע דפורמציה שנגרמה על ידי מתח תרמי ולהוליך חום מהבריכה המותכת. סוגריים אלה הם חלק מהתכנון והייצור בכללותו. לאחר הבנייה, מבנה התומך פורק והושלך. ללא תמיכות, קשה להדפיס מבנים שלוחים מתחת לזווית נטייה מסוימת (בדרך כלל בסביבות 45 מעלות), מה שלעתים קרובות מגביל את האפשרויות למשתמשים במערכות הדפסה תלת מימדיות ממתכת, ומביא גם יצרני OEM רבים של ציוד וחברות תוכנה לייצור תוסף. אתגר גדול.
כדי לפתור את הבעיות הנ"ל, מומחים מחברת EOS Additive Minds פיתחו כעת טכניקות שונות של ייעול תהליכים לייצור חלקים מודפסים בתלת מימד ללא מבני תמיכה, כגון טבעות סטטור, בתים, משאבות טורבו, מיכלי שמן, מחליפי חום, שסתומים ואימפלרים, מהם האימפלר הסגור הוא אחד המקרים האופייניים יותר. באמצעות תוכנת עיצוב וחבילות פרמטרים אופטימליות, EOS מאפשרת למשתמשים להדפיס שלוחות וגשרים בזוויות נמוכות יותר (לפעמים אפילו אפס), הדורשות הרבה פחות או ללא תמיכה.
ייצור תוספים לא נתמך גם חוסך זמן רב בשלב שלאחר העיבוד, מכיוון שאין צורך להסיר תמיכות נוספות. במקרה של הסרה ידנית, הדבר מפנה לעובדים גם זמן ואנרגיה לעבודה אחרת. ייצור חלקים ללא מבנה תומך גם מפחית בזבוז חומר, מכיוון ששום דבר לא נזרק וכל ההיבטים של החלק ועיצוב התמיכה נחוצים. עם זאת, זהו תהליך לא קל, ומומחי עיצוב תוכנה ויצרנים עובדים על האתגר של עיצוב לא נתמך כבר שנים.
במאמר זה מוצג בעיקר כיצד המומחים ב-EOS מנצלים את השיטה הלא נתמכת לבניית האימפלר. אימפלרים סגורים או מכוסים משמשים בתעשיות רבות והם משתנים מאוד בגודל, צורה, חומר ודרישות ביצועים. אימפלרים סגורים חשופים לרוב לתנאים קיצוניים כגון מהירויות סיבוב גבוהות, מדיה קורוזיבית מאוד ועומסים מכניים הנגרמים על ידי טמפרטורות קיצוניות. לדוגמה, יישומי טורבו משאבת רקטות חלל, מערכות דחיסה במיקרו-טורבינות ומשאבות מי ים ביישומי נפט וגז.
תמיכה בדרישות עיצוב בהדפסת מתכת 3D מסורתית
עיצוב חלקים מודפסים בתלת מימד עם תומכים הייתה גישה סטנדרטית לייצור תוסף (AM). המספר, הגודל והמיקום של התומכים נקבעים על ידי מספר גורמים:
מתחים שיוריים במהלך ההדפסה עלולים לגרום לעיוות של מודל התלת-ממד. ניתן להוסיף תומכים כדי למנוע עיוות זה פיזית;
הפרעה במשחזר המשפיעה על מבנה הביניים של החלק עלולה לרטוט את החלק או לגרום לנזק, וכתוצאה מכך עבודה לא מוצלחת. סוגריים משמשים כדי להגן על החלקים מכל השפעה של הקוטר;
העברת חום דרך תומכים מאפשרת לחלקים להתקרר ולהיווצר מהר יותר ומוצלח יותר במהלך תהליך הבנייה.
כדי להבטיח שמדפסת תלת מימד בונה ומייצרת חלקים בהצלחה, יש לקחת בחשבון מגוון סיבות המשפיעות על עיצוב התמיכה, כולל:
כיוון החלק קובע כמה מהחלק צריך לתמוך. בדרך כלל, אם החלקים מכוונים כך ששטח פנים גדול יותר אינו על לוח הבנייה, נדרשת תמיכה רבה יותר כדי לפצות על הגורמים לעיל.
תליעות של 45 מעלות או פחות נחשבות בדרך כלל כמצריכות מבני תמיכה.
תעלות וחורים עלולים להתעוות ללא תמיכה, בהתאם לגודלם והאם הם מכוונים בצורה לא יעילה.
עיצוב דגם
חמוש במומחיות הנכונה ובכישורי פתרון בעיות יצירתיים, הצוות ב-EOS פיתח בהצלחה דרכים חדשות לתכנון ובניית מודלים, תוך ריסוק התפיסה הקדומה של "שפלים נמוכים חייבים להוסיף תמיכה", עם תוצאות מצוינות. האימפלר המשמש במאמר זה כדי להדגים את המבנה הלא נתמך ואת היכולות של תהליך ה-DMLS תוכנן על ידי EOS Additive Minds בקוטר של 150 מ"מ עם 12 להבים עם זוויות תליה עד 10 מעלות.
כיוון נטיית חבר ומבנה תמיכה
אימפלרים מודפסים בדרך כלל בכיוון משופע כדי למנוע תמיכות פנימיות מכיוון שקשה להסירם. עם זאת, כיוון זה מביא בדרך כלל לזמני בנייה ארוכים יותר, לאיכות פני שטח לא אחידה ולעגלגלות החלק נפגעת. כיוון מישור מציע מספר יתרונות, כגון זמני בנייה קצרים יותר, עגולות ודיוק טובים יותר ואיכות פני שטח אחידה יותר על פני החלק. עם זאת, תוספת נמוכה בדרך כלל דורשת תמיכה רבה. עבור תהליך ה-DMLS הנוכחי, יש לתמוך בהרחבות גדולות יותר של פחות מ-35 מעלות. תומכים נדרשים כדי לפזר חום מהבריכה המותכת כדי לפצות על כוחות הציפוי מחדש ולחץ החלק הפנימי.
אופטימיזציית עיצוב לא נתמכת
EOS מפחית באופן משמעותי את הצורך בהוספת תמיכה פנימית על ידי מינוף טכניקות עיצוב מודל מתקדמות. האופטימיזציה העיצובית של תהליך הייצור התוסף היא גם היבט חשוב נוסף הקשור להצלחת ההדפסה. בעוד שניתן להימנע מתמיכה פנימית בעיקר באמצעות שימוש באסטרטגיות חשיפה מותאמות, לרוב עדיין נדרשים מבני תמיכה חיצוניים.
במקרה של האימפלר של מאמר זה, במקום להשתמש במילוי מוצק, תחתית החלק שונה על ידי שימוש בקשתות תומכות עצמיות וקירות דקים כדי להבטיח חיבור חזק לפלטפורמה ולמנוע עיוות במהלך הבנייה. זה מאפשר שימוש בפחות חומר מאשר סטנטים רגילים תוך מתן חוזק גבוה ויכולת עיבוד משופרת. הקוטר החיצוני של האימפלר סגור כדי לספק קשיחות רבה יותר לחלק כשהוא בנוי ולמנוע אובדן של דיוק גיאומטרי בקצה היציאה. עבור האימפלר הזה, עיצוב מתקדם מאפשר הפחתת חומר של 15 אחוז, תוך אופטימיזציה למכונה ותומך בעצמו, ללא תמיכה פנימית.
תהליך אופטימיזציה
האימפלר בנוי בשיטת DownSkin בעלת אנרגיה גבוהה (סוג החשיפה המשמש לבניית משטחים תלויים). בעיקרו של דבר, שיטה זו מגדילה את קלט צפיפות האנרגיה של חשיפת DownSkin על ידי הגדלת עוצמת הלייזר תוך התאמת פרמטרים אחרים של DownSkin. זה מייצר בריכת היתוך גדולה יותר אך יציבה יותר, במיוחד בעת בניית תליה על אבקות רופפות. שיטה זו שימשה בהצלחה עבור חומרים רבים המשמשים לעתים קרובות לייצור אימפלרים (למשל Ti64, 316L, AlSi10Mg, In718 וכו').
לכן, ניתן להבטיח שכל הזוויות הקריטיות יכולות להפיק תועלת מפרמטר אופטימלי זה. בניגוד לטכנולוגיות אחרות שאינן נתמכות, גישת ה-DownSkin בעלת האנרגיה הגבוהה אינה מקריבה את מהירות הבנייה ולכן המקרה העסקי כדי להימנע מתמיכה.
בהיעדר אמצעי נגד כלשהם, שיטת DownSkin עתירת האנרגיה יכולה לגרום לחלקים גדולים מדי בכיוון z באזור DownSkin עקב בריכת הריתוך העמוקה. ניתן להתאים חלקים לגודל הנכון על ידי עיבוד לאחר או על ידי התאמה של העיצוב. DownSkin הוא גם מחוספס יחסית, אבל החספוס הוא אחיד, מה שעוזר בטכניקות גימור משטח בתפזורת כגון עיבוד זרימה שוחקת. אין גם כמעט נקבוביות (ראה תמונה למטה), הנקבוביות מוגבלת ל-DownSkin. לכן, המאפיינים המכניים הכוללים אינם מושפעים ואתה עדיין יכול לסמוך על תהליך ה-InFill האיכותי שפותח על ידי EOS. לכן, תהליך משני כמו כבישה איזוסטטית חמה גם אינו נדרש כדי להשיג תכונות מכניות מספיקות.
עיבוד לאחר (עיבוד זרימה שוחקת, AM Metals)
עיבוד זרימה שוחקת היא טכניקת גימור משטח נפוצה המשמשת ליישומים הקשורים לזרימה וגיאומטריות פנימיות. המדיה השוחקת נדחפת דרך החלק המוחזק במתקן. החלקיקים השוחקים במדיה טוחנים ומבריקים את פני השטח לאורך נתיב הזרימה. כהכנה לגימור משטח פנימי, יש לעבד את הקוטר החיצוני הסגור במכונה פתוחה, קוטר וגובה חלק מותאם למתקן עבור תהליך AFM. לאחר עיבוד מקדים, החלק מהודק ואמצעי שוחק נדחפים דרך החלק בעזרת המהדק. לאחר תהליך AFM, האימפלר מעובד לגודל הסופי.
החלק האחרון מטופל בעיבוד זרימה שוחקת (AFM)
עם התקדמות מתמשכת של טכנולוגיית הדפסת תלת מימד, חלקי מתכת מודפסים בתלת מימד ימשיכו להתפתח לקראת שוק צרכני הקצה.