Vai metāla 3D drukāšanā ir iespējams šķīstošs atbalsts?

1. Tehniskais princips: Upura anods elektroķīmiskam izrāvienam
Upura anoda aizsardzības metode, kas izmanto divu elektrolītā esošo metālu potenciālu atšķirību, lai izraisītu selektīvu koroziju, ir pamats šķīstošā atbalsta tehnoloģijai. Metāla 3D drukāšanā šī tehnika tiek izmantota jaunā veidā, lai atdalītu daļas korpusu no nesošās konstrukcijas:
Pareizo materiālu izvēle: detaļām izmantojiet metālus, kas nerūsē (piemēram, nerūsējošo tēraudu), bet balstiem - metālus, kas nerūsē (piemēram, zema{0}}oglekļa tēraudu). Piemēram, Arizonas štata universitātes komanda izmantoja AISI 431 nerūsējošā tērauda (detaļām) un Metco 91 zema oglekļa tērauda (balstiem) maisījumu, lai balsti izšķīst slāpekļskābē, nesabojājot detaļu virsmas.
Elektroķīmiskā ātruma palielināšana{0}}: izmantojot vienkāršu slāpekļskābi, korozija notiek lēnāk (10 stundu laikā tā izšķīdina tikai 1,4 mm oglekļa tērauda), bet, pievienojot skābekļa burbuļus, tā notiek 6 reizes ātrāk. Skābeklis sadala pasivācijas slāni uz oglekļa tērauda virsmas, paātrina korozijas strāvas attīstību un pilnībā izšķīdina pēdējos 7 mm oglekļa tērauda 6 stundu laikā.
Kontrole, kas ir selektīva: atbalsta materiāliem elektrolītu šķīdības selektivitātei jābūt lielākai par 100:1. Piemēram, slāpekļskābe apēd oglekļa tēraudu vairāk nekā 1000 reižu ātrāk nekā nerūsējošo tēraudu, kas nozīmē, ka sastāvdaļas korpuss netiek bojāts.
2. Materiālu saderība: metalurģijas ierobežojumi un aizsardzības līdzekļi
Lai rūpniecībā izmantotu šķīstošo atbalstu, materiālzinātnē ir jāatrisina divas lielas problēmas:
Metalurģiskā saderība: gan atbalsta materiāliem, gan sastāvdaļu materiāliem ir jāatbilst šādiem nosacījumiem:
Kristāla struktūras līdzība: lai novērstu saskarnes spriegumu plaisāšanu, kas var rasties, ja termiskās izplešanās koeficienti ir atšķirīgi. Piemēram, zema-oglekļa tēraudam un nerūsējošajam tēraudam ir kubiskās struktūras, kas ir vērstas -centrā, un termiskās izplešanās koeficienta atšķirība ir mazāka par 10%. Tas nozīmē, ka tie var izturēt augstas temperatūras izmaiņas metāla 3D drukāšanas laikā.
Izvairieties no intermetāliskiem savienojumiem: dažas materiālu kombinācijas, piemēram, titāna un alumīnija sakausējumi, visticamāk, kļūs trauslas augstā temperatūrā. Lai no tā izvairītos, ir jāregulē procesa parametri vai jākonstruē starpslānis.
Materiālu sistēmas paplašināšana: pašreizējie pētījumi ir parādījuši, ka nerūsējošā tērauda{0}}oglekļa tērauda sistēma ir iespējama, un nākotnē ir jāveido papildu materiālu kombinācijas.
Augstas -temperatūras sakausējums: Inconel 718 un noteiktus anoda materiālus var izmantot kopā, lai izgatavotu lidmašīnu dzinēju karstās daļas.
Titāna sakausējums: precīzi{0}}noregulējot elektrolīta formulu, Ti6Al4V un šķīstošais atbalsts var sadarboties.
Ugunsizturīgi metāli: lai noņemtu atbalstu no metāliem ar augstu -kušanas-punktu, piemēram, volframu un tantalu, mums ir jāizveido elektroķīmiskās sistēmas, kas darbojas augstā temperatūrā.
3, procesa optimizācija: pāreja no laboratorijas uz ražošanas līniju
Lai industrializētu šķīstošo atbalsta tehnoloģiju, ir jāpārvar trīs nozīmīgi procesa šķēršļi:
Korozijas efektivitātes uzlabošana: Impulsu elektroķīmiskā tehnoloģija: palīdz noņemt korozijas produktus un aptur pasivācijas slāņu veidošanos, ieslēdzot un izslēdzot strāvu. Piemēram, impulsa spriegums var izraisīt oglekļa tērauda koroziju trīs reizes ātrāk.
Ultraskaņas palīdzība: Ultraskaņas viļņu pievienošana elektrolītam paātrina masas pārnesi, izraisot kavitāciju, kas samazina korozijas laiku par vairāk nekā 50%.
Virsmas kvalitātes kontrole:
Sistēma elektrolītu cirkulācijai: cirkulējošo elektrolītu sūknēšana novērš virsmas raupjuma pasliktināšanos, novēršot lokālas koncentrācijas neatbilstības. Piemēram, izsmidzināšanas korozijas tvertne var padarīt priekšmetu virsmu mazāk raupju, no Ra10 μm līdz Ra2 μm.
Pulēšana pēc apstrādes: elektroķīmiskā korozija kopā ar bezkontakta metodēm, piemēram, magnetorheoloģisko pulēšanu, var padarīt virsmu tikpat gludu kā spogulis (Ra<0.1 μ m).
Automatizēta integrācija:
Sistēma lietu atrašanai tiešsaistē: rūpnieciskā CT ļauj reāllaikā{0}}uzraudzīt atbalsta atlikumus un dinamiski pielāgot korozijas parametrus. Piemēram, GE Additive Smart Clean sistēma var automātiski atrast atbalsta punktus un uzlabot strāvas blīvuma sadalījumu.
Slēgtā cikla kontrole: izmantojiet mašīnmācīšanās metodes, lai izstrādātu modeli, kas paredz korozijas ātrumu, lai procesa parametrus varētu mainīt automātiski. Pēc tam, kad viens gaisa kuģu uzņēmums izmantoja šo paņēmienu, atbalsta noņemšanas līmenis pieauga no 70% līdz 99%.
4. Rūpnieciskā pielietojuma perspektīvas: no sarežģītām konstrukcijām līdz masveida ražošanai
Reālajā ražošanā{0}}šķīstošā atbalsta tehnoloģija ir izrādījusies diezgan noderīga:
Aviācijas un kosmosa jomā GE Aviation izmanto šķīstošo atbalsta druku, lai izgatavotu Inconel 718 sadegšanas kameru. Tas samazina atbalsta noņemšanai nepieciešamo laiku no 40 stundām līdz 8 stundām, un uz virsmas nav mehānisku bojājumu pēdu.
Satelītu ražotājs ir veiksmīgi izdrukājis siltummaini ar 2000 mikrokanāliem, izmantojot šķīstošo atbalsta tehnoloģiju. Kanāli ir tikai 0,5 mm plati, un pulvera atlikumu līmenis ir mazāks par 0,1%.
Medicīniskie implanti: personalizēta gūžas locītava: Johnson&Johnson Medical izmanto šķīstošu atbalstu, lai apdrukātu Ti6Al4V gūžas locītavas ar virsmas raupjumu Ra0,8 μm. Tas atbilst ortopēdisko implantu standartiem un novērš grūtības ar virsmas sacietēšanu, kas var rasties ar tradicionālo apstrādi.
Zobu implanti: zobārstniecības uzņēmums ir samazinājis laiku, kas nepieciešams implantu drukāšanai, no trim dienām līdz vienai dienai, izmantojot šķīstošo atbalsta tehnoloģiju. Tas ir samazinājis cenas par 40%.
Veidņu izgatavošana: elastīgu dzesēšanas veidni izgatavo, apvienojot veidņu tēraudu (piemēram, H13) ar šķīstošu balstu. Tas ļauj drukāt sarežģītus dzesēšanas kanālus. Kad šī tehnika tika izmantota noteiktā automašīnu veidņu rūpnīcā, veidnes dzesēšanas efektivitāte palielinājās par 30%, bet laiks, kas bija nepieciešams veidnes izgatavošanai, samazinājās par 25%.