Dodavanje i uklanjanje nosača dugo je predstavljalo izazov tijekom aditivne proizvodnje metala (AM). Uzimajući izravno lasersko sinteriranje metala (DMLS) kao primjer, model treba unaprijed postaviti s potpornim strukturama prije ispisa kako bi se izbjegla deformacija uzrokovana toplinskim stresom i odvela toplina od bazena rastaljevine. Ovi nosači dio su dizajna i proizvodnje u cjelini. Nakon izgradnje potporna konstrukcija je demontirana i odbačena. Bez nosača, teško je ispisati konzolne strukture ispod određenog kuta nagiba (obično oko 45 stupnjeva), što često ograničava mogućnosti za korisnike metalnih 3D ispisnih sustava, a također dovodi mnoge proizvođače originalne opreme i softverske tvrtke za aditivnu proizvodnju. veliki izazov.
Kako bi riješili gore navedene probleme, stručnjaci tvrtke EOS Additive Minds sada su razvili različite tehnike optimizacije procesa za proizvodnju 3D tiskanih dijelova bez potpornih struktura, kao što su statorski prstenovi, kućišta, turbo pumpe, spremnici ulja, izmjenjivači topline, ventili i impeleri, od kojih zatvoreni rotor je jedan od tipičnijih slučajeva. Putem optimiziranog softvera za dizajn i paketa parametara, EOS omogućuje korisnicima ispis konzola i mostova pod nižim kutovima (ponekad čak i nula), zahtijevajući puno manje ili nimalo potpora.
Aditivna proizvodnja bez podrške također štedi mnogo vremena u fazi naknadne obrade, budući da nije potrebno uklanjati dodatne potpore. U slučaju ručnog uklanjanja, to također oslobađa vrijeme i energiju zaposlenika za druge poslove. Proizvodnja dijelova bez potporne strukture također smanjuje materijalni otpad, budući da se ništa ne baca i svi aspekti dizajna dijela i potpore su potrebni. Međutim, to nije jednostavan proces, a stručnjaci i proizvođači softverskog dizajna već godinama rade na izazovu nepodržanog dizajna.
U ovom je članku uglavnom prikazano kako stručnjaci u EOS-u koriste nepodržanu metodu za konstrukciju impelera. Zatvoreni ili omotani rotori koriste se u mnogim industrijama i jako se razlikuju u veličini, obliku, materijalu i zahtjevima za performansama. Zatvoreni impeleri često su izloženi ekstremnim uvjetima kao što su velike brzine vrtnje, visoko korozivni mediji i mehanička opterećenja uzrokovana ekstremnim temperaturama. Na primjer, primjene turbopumpa u svemirskim raketama, sustavi kompresije u mikroturbinama i pumpe morske vode u primjenama nafte i plina.
Podržava zahtjeve dizajna u tradicionalnom metalnom 3D ispisu
Dizajniranje 3D tiskanih dijelova s potporama bio je standardni pristup aditivnoj proizvodnji (AM). Broj, veličina i položaj nosača određeni su brojnim čimbenicima:
Zaostala naprezanja tijekom ispisa mogu uzrokovati deformaciju 3D modela. Oslonci se mogu dodati kako bi se fizički spriječila ova deformacija;
Prekid uređaja za ponovno nanošenje premaza koji utječe na srednju konstrukciju dijela može vibrirati dio ili uzrokovati štetu, što rezultira neuspješnim radom. Nosači se koriste za zaštitu dijelova od bilo kakvog utjecaja sredstva za ponovno nanošenje premaza;
Prijenos topline kroz nosače omogućuje brže i uspješnije hlađenje i oblikovanje dijelova tijekom procesa izrade.
Kako bi se osiguralo da 3D printer gradi i uspješno proizvodi dijelove, potrebno je razmotriti niz razloga koji utječu na dizajn podrške, uključujući:
Orijentacija dijela određuje koliko dijela treba poduprijeti. Obično, ako su dijelovi usmjereni tako da veća površina nije na ugradbenoj ploči, potrebna je veća potpora kako bi se kompenzirali gore navedeni čimbenici.
Općenito se smatra da prepusti od 45 stupnjeva ili manje zahtijevaju potporne strukture.
Kanali i rupe mogu se deformirati bez potpore, ovisno o njihovoj veličini i o tome jesu li neučinkovito usmjereni.
Dizajn modela
Naoružan pravom stručnošću i kreativnim vještinama rješavanja problema, tim u EOS-u uspješno je razvio nove načine za dizajn i izradu modela, razbijajući unaprijed zamišljenu predodžbu da "niski padovi moraju dodati podršku", s izvrsnim rezultatima. Impeler korišten u ovom članku za demonstraciju nepodržane strukture i mogućnosti DMLS procesa dizajnirao je EOS Additive Minds promjera 150 mm s 12 lopatica s kutovima prepusta do 10 stupnjeva.
Smjer nagiba člana i potporna struktura
Impeleri se obično tiskaju u nagnutom položaju kako bi se izbjegli unutarnji nosači jer ih je teško ukloniti. Međutim, ova orijentacija obično rezultira duljim vremenom izrade, neujednačenom kvalitetom površine i zaobljenošću dijela. Planarna orijentacija nudi nekoliko prednosti, kao što su kraće vrijeme izrade, bolja zaobljenost i točnost te ujednačenija kvaliteta površine po cijelom dijelu. Međutim, niski prepusti obično zahtijevaju dosta potpore. Za trenutni DMLS proces potrebno je podržati veće prepuste manje od 35 stupnjeva. Potrebni su nosači za raspršivanje topline iz rastaljenog bazena kako bi se kompenzirale sile ponovnog premazivanja i unutarnje naprezanje dijelova.
Nepodržana optimizacija dizajna
EOS značajno smanjuje potrebu za dodavanjem interne podrške korištenjem naprednih tehnika dizajna modela. Optimizacija dizajna procesa aditivne proizvodnje također je još jedan važan aspekt koji je povezan s uspjehom tiska. Dok se unutarnja potpora može izbjeći prvenstveno upotrebom prilagođenih strategija izloženosti, često su i dalje potrebne vanjske potporne strukture.
U slučaju rotora u ovom članku, umjesto korištenja čvrste ispune, dno dijela je modificirano korištenjem samonosivih lukova i tankih stijenki kako bi se osigurala snažna veza platforme i spriječila deformacija tijekom izgradnje. To omogućuje upotrebu manje materijala od konvencionalnih stentova, a istodobno pruža visoku čvrstoću i poboljšanu obradivost. Vanjski promjer impelera je zatvoren kako bi se osigurala veća krutost dijela kada je izgrađen i kako bi se spriječio gubitak geometrijske točnosti na izlaznom rubu. Za ovaj impeler, napredni dizajn omogućuje smanjenje materijala od 15 posto, dok je strojno optimiziran i samonosiv, bez unutarnje potpore.
Optimizacija procesa
Impeler je konstruiran takozvanom visokoenergetskom DownSkin metodom (vrsta izloženosti koja se koristi za izgradnju prevjesnih površina). U osnovi, ova metoda povećava unos gustoće energije DownSkin izloženosti povećanjem snage lasera uz podešavanje ostalih parametara DownSkin. Ovo proizvodi veći, ali stabilniji bazen taline, posebno kada se grade prevjesi na rastresitom prahu. Ova metoda je uspješno korištena za mnoge materijale koji se često koriste za izradu impelera (npr. Ti64, 316L, AlSi10Mg, In718, itd.).
Stoga se može osigurati da svi kritični kutovi mogu imati koristi od ovog optimiziranog parametra. Za razliku od drugih nepodržanih tehnologija, visokoenergetski pristup DownSkin ne žrtvuje brzinu izrade i stoga poslovni slučaj izbjegavanja podrške.
U nedostatku bilo kakvih protumjera, visokoenergetska metoda DownSkin može rezultirati prevelikim dijelovima u z-smjeru u regiji DownSkin zbog duboke zavarene jame. Dijelovi se mogu podesiti na pravu veličinu naknadnom obradom ili podešavanjem dizajna. DownSkin je također relativno hrapav, ali je hrapavost ujednačena, što pomaže kod tehnika završne obrade velikih površina kao što je obrada abrazivnim strujanjem. Također gotovo da nema poroznosti (vidi sliku ispod), poroznost je ograničena na DownSkin. Stoga, ukupna mehanička svojstva nisu pogođena i još uvijek se možete osloniti na visokokvalitetni InFill proces koji je razvio EOS. Stoga sekundarni proces poput vrućeg izostatičkog prešanja također nije potreban za postizanje dovoljnih mehaničkih svojstava.
Naknadna obrada (Abrasive Flow Machining, AM Metals)
Abrazivna strujna obrada uobičajena je tehnika završne obrade površina koja se koristi za aplikacije vezane uz strujanje i unutarnje geometrije. Abrazivni medij se gura kroz dio koji se drži u učvršćenju. Abrazivne čestice u mediju bruse i poliraju površinu duž putanje protoka. Kao pripremu za završnu obradu unutarnje površine, zatvoreni vanjski promjer treba strojno obraditi u otvoreni, promjer i visinu dijela prilagoditi učvršćenju za AFM proces. Nakon prethodne strojne obrade, dio se steže i abrazivni medij se gura kroz dio uz pomoć stezaljke. Nakon AFM procesa rotor se strojno obrađuje do konačne veličine.
Završni dio tretiran Abrasive Flow Machining (AFM)
Uz kontinuirani napredak tehnologije 3D ispisa, metalni 3D ispisani dijelovi nastavit će se razvijati prema tržištu krajnjih potrošača.