Zašto se metalna potporna struktura za 3D ispis mora ukloniti?

1. Glavni zadatak potpornih konstrukcija i kako su se mijenjale tijekom vremena
Fizičke barijere za kontrolu termodinamike
Tijekom procesa 3D ispisa metala, laserske ili elektronske zrake stvaraju vrlo visoke temperature (iznad 2000 stupnjeva) na malim mjestima, zbog čega materijal vrlo brzo prelazi iz tekućeg u kruto stanje. Potporna struktura u ovom procesu ima dvije svrhe. Prvo, kao medij za toplinsku vodljivost, on brzo premješta toplinu s visećeg područja na podlogu, što sprječava nakupljanje zaostalog naprezanja uslijed lokalnog pregrijavanja. Drugo, ograničavajući protok metala, sprječava urušavanje rastaljenog bazena zbog gravitacije. Na primjer, tijekom ispisa rotora od legure titana, potporna struktura može smanjiti toplinski stres za 60% kada je kut ovjesa manji od 45 stupnjeva. To smanjuje stopu deformacije dijelova od iskrivljenja s 32% na manje od 5%.
Neizbježan ishod ponavljanja procesa
Rani strojevi za 3D ispis metala trebali su mnogo potpornih struktura jer nisu mogli dobro upravljati gustoćom energije. Moderni SLM uređaji mogu pružiti "adaptivnu podršku" dinamičkom modifikacijom gustoće snage lasera zahvaljujući razvoju više-tehnologija modeliranja spajanja fizike. Uređaj LiM-X260A tvrtke Leiming Laser, na primjer, uspješno je ispisao viseće strukture bez ikakve potpore pod malim kutovima od 5 stupnjeva -35 stupnjeva pomoću optimiziranih algoritama skeniranja. Time je smanjena količina potrebnih pomoćnih materijala za 78%. Ali ova je tehnologija još uvijek korisna samo za određene vrste materijala i oblika.
2. Fatalni nedostaci još uvijek prisutni na nosivoj strukturi
Neviđeni ubojice svojstava materijala
Materijalno sučelje potporne strukture i tiskarskog tijela vrlo se razlikuju jedno od drugog u smislu načina na koji su organizirani. Pri ispisu s nehrđajućim čelikom 316L mogu se formirati grubi stupčasti kristali na spoju između nosača rešetke i krutog materijala. To područje čini 15% do 20% mekšim i 40% manje izdržljivim. Učinak "mala anoda velika katoda" potpornih ostataka može proizvesti elektrokemijsku koroziju, što je vrlo loše za važne dijelove poput turbinskih diskova u zrakoplovnim motorima jer ubrzava brzinu korozije za 3 do 5 puta.
Štetni učinci na preciznost oblika
Kontaktna točka između potporne strukture i površine komponente stvorit će prijelazni sloj debljine 0,1 do 0,3 mm. Ovaj sloj će vjerojatno imati površinske nedostatke kada se mehanički ukloni. Na primjer, mlaznica za gorivo tvrtke GE Aviation ima unutarnji protočni kanal promjera samo 2 mm. Ako postoji zaostala potpora, dio kanala protoka može se saviti za više od 8%, što izravno utječe na učinak atomizacije goriva. Čak i uz-suvremene tehnike kao što je elektrokemijsko otapanje, lokalizirana korozija na razini od 0,05 mm i dalje se može dogoditi ako gustoća struje nije ravnomjerno raspoređena.
Slaba točka kontrole troškova
Trošak materijala koji se koristi za izradu nosive konstrukcije čini otprilike 12% do 18% ukupne cijene metalnog 3D printanja. Trošak visokotemperaturnih-legura na bazi nikla veći je od 2000 USD po kilogramu, a bacanje dodatnih materijala previše je posla. Trošak rada u naknadnoj-fazi obrade mnogo je više zabrinjavajući jer može iznositi čak 25% do 30%. U automatiziranoj proizvodnoj liniji BMW IDAM, ljudi još uvijek moraju pomagati u procesu uklanjanja, što je postalo glavno usko grlo koje sprječava da cijeli proces postane automatiziran.
3. Proboji i problemi s tehnologijom koja pomaže pri uklanjanju
Revolucija u preciznom mehaničkom uklanjanju
Postoje dva glavna problema s tradicionalnim mehaničkim procesima kao što su rezanje žicom i glodanje: prvo, teško im je pristupiti zbog složenih unutarnjih struktura šupljina, i drugo, teško ih je kontrolirati na mikrometarskoj razini. Robotski sustav NetShape tvrtke Rivelin Robotics može regulirati kontaktnu silu unutar 0,1 N pomoću algoritma za kontrolu povratne sile. Kada se koristi sa sustavom 3D vizualnog pozicioniranja, može automatski pronaći i ukloniti ostatke potpore, što čini površinu glatkijom (od Ra6,3 μm do Ra1,6 μm) i ubrzava obradu za 10 puta.
Selektivni napredak u kemijskom jetkanju
Tehnologija uklanjanja uz elektrokemijsku podršku koju je razvilo Sveučilište Arizona State postiže selektivno otapanje stvaranjem polja diferencijalnog potencijala. U sustavu od nehrđajućeg čelika 304/ugljičnog čelika, kombinacija 41% otopine dušične kiseline i kisika može u potpunosti ukloniti nosač od ugljičnog čelika debljine 7 mm u 6 sati. Također održava brzinu korozije podloge od nehrđajućeg čelika ispod 0,002 mm/h. Ova tehnologija korištena je za izradu medicinskih implantata, skraćujući vrijeme potrebno za uklanjanje potpore s 48 sati na 8 sati.
Korištenje pametnih algoritama za predviđanje o tome kako poboljšati stvari
Belgijski startup Materialize proizvodi softver nazvan Magics koji može koristiti modele strojnog učenja za automatsku konstrukciju najboljih potpornih struktura. Sustav uči iz 100.000 skupova procesnih podataka i može predvidjeti kako će se toplinski stres proširiti na različite oblike. Također može samostalno promijeniti gustoću potpore i kontaktnu površinu. Prilikom ispisa određenog dijela strukture zrakoplova, optimizirana metoda podrške smanjila je potrošnju materijala za 42% i vrijeme post{6}}obrade za 65%.