Η προσθήκη και η αφαίρεση στηριγμάτων ήταν από καιρό μια πρόκληση κατά τη διάρκεια της κατασκευής πρόσθετων μετάλλων (AM). Λαμβάνοντας ως παράδειγμα την άμεση πυροσυσσωμάτωση με λέιζερ μετάλλων (DMLS), το μοντέλο πρέπει να προρυθμιστεί με δομές στήριξης πριν από την εκτύπωση για να αποφευχθεί η παραμόρφωση που προκαλείται από τη θερμική καταπόνηση και η μεταφορά της θερμότητας μακριά από τη λιωμένη πισίνα. Αυτά τα στηρίγματα αποτελούν μέρος του σχεδιασμού και της κατασκευής στο σύνολό του. Μετά την κατασκευή, η δομή στήριξης αποσυναρμολογήθηκε και απορρίφθηκε. Χωρίς στηρίγματα, είναι δύσκολο να εκτυπωθούν πρόβολες κατασκευές κάτω από μια ορισμένη γωνία κλίσης (συνήθως γύρω στις 45 μοίρες), κάτι που συχνά περιορίζει τις επιλογές για τους χρήστες μεταλλικών συστημάτων τρισδιάστατης εκτύπωσης και επίσης φέρνει πολλούς OEM εξοπλισμού και εταιρείες λογισμικού κατασκευής πρόσθετων. μια μεγάλη πρόκληση.
Για την επίλυση των παραπάνω προβλημάτων, ειδικοί από την εταιρεία EOS Additive Minds έχουν αναπτύξει τώρα διάφορες τεχνικές βελτιστοποίησης διεργασιών για την παραγωγή εξαρτημάτων 3D εκτύπωσης χωρίς δομές στήριξης, όπως δακτυλίους στάτορα, περιβλήματα, στροβιλοτρόπους, δεξαμενές λαδιού, εναλλάκτες θερμότητας, βαλβίδες και πτερωτές, εκ των οποίων η κλειστή πτερωτή είναι μια από τις πιο χαρακτηριστικές περιπτώσεις. Μέσω βελτιστοποιημένου λογισμικού σχεδίασης και πακέτων παραμέτρων, το EOS επιτρέπει στους χρήστες να εκτυπώνουν προβόλους και γέφυρες σε χαμηλότερες γωνίες (μερικές φορές ακόμη και μηδενικές), απαιτώντας πολύ λιγότερες ή καθόλου υποστηρίξεις.
Η μη υποστηριζόμενη κατασκευή πρόσθετων εξοικονομεί επίσης πολύ χρόνο στο στάδιο της μετα-επεξεργασίας, καθώς δεν χρειάζεται να αφαιρεθούν πρόσθετα στηρίγματα. Στην περίπτωση χειροκίνητης αφαίρεσης, αυτό απελευθερώνει επίσης χρόνο και ενέργεια από τους υπαλλήλους για άλλες εργασίες. Η κατασκευή εξαρτημάτων χωρίς δομή στήριξης μειώνει επίσης τα απόβλητα υλικών, καθώς τίποτα δεν πετιέται και όλες οι πτυχές του εξαρτήματος και του σχεδιασμού στήριξης είναι απαραίτητες. Ωστόσο, αυτή δεν είναι μια εύκολη διαδικασία και οι ειδικοί και οι κατασκευαστές του σχεδιασμού λογισμικού εργάζονται επί χρόνια στην πρόκληση του μη υποστηριζόμενου σχεδιασμού.
Σε αυτό το άρθρο, παρουσιάζεται κυρίως πώς οι ειδικοί στην EOS χρησιμοποιούν τη μη υποστηριζόμενη μέθοδο για την κατασκευή της πτερωτής. Οι κλειστές ή κλειστές πτερωτές χρησιμοποιούνται σε πολλές βιομηχανίες και ποικίλλουν ευρέως ως προς το μέγεθος, το σχήμα, το υλικό και τις απαιτήσεις απόδοσης. Οι κλειστές πτερωτές εκτίθενται συχνά σε ακραίες συνθήκες όπως υψηλές ταχύτητες περιστροφής, εξαιρετικά διαβρωτικά μέσα και μηχανικά φορτία που προκαλούνται από ακραίες θερμοκρασίες. Για παράδειγμα, εφαρμογές στροβιλοαντλίας σε διαστημικούς πυραύλους, συστήματα συμπίεσης σε μικροστρόβιλους και αντλίες θαλασσινού νερού σε εφαρμογές πετρελαίου και αερίου.
Υποστήριξη σχεδιαστικών απαιτήσεων στην παραδοσιακή μεταλλική τρισδιάστατη εκτύπωση
Ο σχεδιασμός τρισδιάστατων εκτυπωμένων εξαρτημάτων με στηρίγματα είναι μια τυπική προσέγγιση για την κατασκευή προσθέτων (AM). Ο αριθμός, το μέγεθος και η θέση των στηρίξεων καθορίζονται από διάφορους παράγοντες:
Οι υπολειπόμενες τάσεις κατά την εκτύπωση μπορεί να προκαλέσουν παραμόρφωση του τρισδιάστατου μοντέλου. Μπορούν να προστεθούν στηρίγματα για την φυσική αποφυγή αυτής της παραμόρφωσης.
Η διακοπή της επαναβαφής που επηρεάζει την ενδιάμεση κατασκευή του εξαρτήματος μπορεί να δονήσει το εξάρτημα ή να προκαλέσει ζημιά, με αποτέλεσμα μια ανεπιτυχή εργασία. Οι βραχίονες χρησιμοποιούνται για την προστασία των εξαρτημάτων από οποιαδήποτε επιρροή από τον επαναβαφή.
Η μεταφορά θερμότητας μέσω των στηρίξεων επιτρέπει στα μέρη να κρυώνουν και να σχηματίζονται πιο γρήγορα και με μεγαλύτερη επιτυχία κατά τη διαδικασία κατασκευής.
Για να διασφαλιστεί ότι ένας τρισδιάστατος εκτυπωτής κατασκευάζει και παράγει με επιτυχία εξαρτήματα, πρέπει να ληφθούν υπόψη διάφοροι λόγοι που επηρεάζουν τον σχεδιασμό υποστήριξης, όπως:
Ο προσανατολισμός του εξαρτήματος καθορίζει πόσο μέρος του εξαρτήματος πρέπει να υποστηριχθεί. Συνήθως, εάν τα εξαρτήματα είναι προσανατολισμένα έτσι ώστε να μην υπάρχει μεγαλύτερη επιφάνεια στην πλάκα κατασκευής, απαιτείται περισσότερη υποστήριξη για την αντιστάθμιση των παραπάνω παραγόντων.
Οι προεξοχές 45 μοιρών ή μικρότερες θεωρούνται γενικά ότι απαιτούν δομές στήριξης.
Τα κανάλια και οι οπές ενδέχεται να παραμορφωθούν χωρίς στήριξη, ανάλογα με το μέγεθός τους και το αν είναι αναποτελεσματικά προσανατολισμένοι.
Σχέδιο μοντέλου
Οπλισμένη με τη σωστή τεχνογνωσία και δημιουργικές δεξιότητες επίλυσης προβλημάτων, η ομάδα της EOS ανέπτυξε με επιτυχία νέους τρόπους σχεδίασης και κατασκευής μοντέλων, καταρρίπτοντας την προκατειλημμένη αντίληψη ότι «οι χαμηλές πτώσεις πρέπει να προσθέτουν υποστήριξη», με εξαιρετικά αποτελέσματα. Η πτερωτή που χρησιμοποιείται σε αυτό το άρθρο για να επιδείξει τη μη υποστηριζόμενη δομή και τις δυνατότητες της διαδικασίας DMLS σχεδιάστηκε από την EOS Additive Minds με διάμετρο 150 mm με 12 λεπίδες με γωνίες προεξοχής έως και 10 μοίρες.
Κατεύθυνση κλίσης μελών και δομή υποστήριξης
Οι πτερωτές συνήθως εκτυπώνονται σε κεκλιμένο προσανατολισμό για να αποφευχθούν εσωτερικά στηρίγματα καθώς είναι δύσκολο να αφαιρεθούν. Ωστόσο, αυτός ο προσανατολισμός συνήθως οδηγεί σε μεγαλύτερους χρόνους κατασκευής, ανομοιόμορφη ποιότητα επιφάνειας και υποφέρει η στρογγυλότητα του εξαρτήματος. Ο επίπεδος προσανατολισμός προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα, όπως μικρότερους χρόνους κατασκευής, καλύτερη στρογγυλότητα και ακρίβεια και πιο ομοιόμορφη ποιότητα επιφάνειας σε όλο το τμήμα. Ωστόσο, οι χαμηλές προεξοχές απαιτούν συνήθως μεγάλη υποστήριξη. Για την τρέχουσα διαδικασία DMLS, πρέπει να υποστηρίζονται μεγαλύτερες προεξοχές μικρότερες από 35 μοίρες. Απαιτούνται στηρίγματα για να διαχέουν τη θερμότητα από τη λιωμένη πισίνα για να αντισταθμίσουν τις δυνάμεις επαναβαφής και την καταπόνηση του εσωτερικού μέρους.
Μη υποστηριζόμενη βελτιστοποίηση σχεδίασης
Το EOS μειώνει σημαντικά την ανάγκη προσθήκης εσωτερικής υποστήριξης αξιοποιώντας προηγμένες τεχνικές σχεδίασης μοντέλων. Η βελτιστοποίηση σχεδιασμού της διαδικασίας κατασκευής προσθέτων είναι επίσης μια άλλη σημαντική πτυχή που σχετίζεται με την επιτυχία της εκτύπωσης. Ενώ η εσωτερική υποστήριξη μπορεί να αποφευχθεί κυρίως μέσω της χρήσης προσαρμοσμένων στρατηγικών έκθεσης, συχνά απαιτούνται εξωτερικές δομές υποστήριξης.
Στην περίπτωση του στροφείου αυτού του άρθρου, αντί να χρησιμοποιηθεί συμπαγές γέμισμα, το κάτω μέρος του εξαρτήματος τροποποιήθηκε χρησιμοποιώντας αυτοφερόμενα τόξα και λεπτά τοιχώματα για να διασφαλιστεί μια ισχυρή σύνδεση πλατφόρμας και να αποφευχθεί η παραμόρφωση κατά την κατασκευή. Αυτό επιτρέπει τη χρήση λιγότερου υλικού από τα συμβατικά στεντ, ενώ παρέχει υψηλή αντοχή και βελτιωμένη μηχανική ικανότητα. Η εξωτερική διάμετρος της πτερωτής είναι κλειστή για να παρέχει μεγαλύτερη ακαμψία στο εξάρτημα όταν κατασκευάζεται και να αποτρέπει την απώλεια γεωμετρικής ακρίβειας στην άκρη εξόδου. Για αυτήν την πτερωτή, η προηγμένη σχεδίαση επιτρέπει τη μείωση του υλικού κατά 15 τοις εκατό, ενώ είναι βελτιστοποιημένη για τη μηχανή και αυτοφερόμενη, χωρίς εσωτερική υποστήριξη.
Βελτιστοποίηση Διαδικασιών
Η πτερωτή κατασκευάζεται με τη λεγόμενη μέθοδο DownSkin υψηλής ενέργειας (ο τύπος έκθεσης που χρησιμοποιείται για την κατασκευή επιφανειών που κρέμονται). Ουσιαστικά, αυτή η μέθοδος αυξάνει την εισροή ενεργειακής πυκνότητας της έκθεσης DownSkin αυξάνοντας την ισχύ του λέιζερ ενώ προσαρμόζει άλλες παραμέτρους DownSkin. Αυτό δημιουργεί μια μεγαλύτερη αλλά πιο σταθερή δεξαμενή τήγματος, ειδικά όταν χτίζετε προεξοχές σε χαλαρές σκόνες. Αυτή η μέθοδος έχει χρησιμοποιηθεί με επιτυχία για πολλά υλικά που χρησιμοποιούνται συχνά για την κατασκευή φτερών (π.χ. Ti64, 316L, AlSi10Mg, In718, κ.λπ.).
Επομένως, μπορεί να διασφαλιστεί ότι όλες οι κρίσιμες γωνίες μπορούν να επωφεληθούν από αυτήν τη βελτιστοποιημένη παράμετρο. Σε αντίθεση με άλλες μη υποστηριζόμενες τεχνολογίες, η προσέγγιση DownSkin υψηλής ενέργειας δεν θυσιάζει την ταχύτητα κατασκευής και επομένως την επιχειρηματική περίπτωση για την αποφυγή υποστήριξης.
Ελλείψει αντιμέτρων, η μέθοδος DownSkin υψηλής ενέργειας μπορεί να οδηγήσει σε υπερμεγέθη εξαρτήματα στην κατεύθυνση z στην περιοχή DownSkin λόγω της βαθιάς δεξαμενής συγκόλλησης. Τα εξαρτήματα μπορούν να προσαρμοστούν στο σωστό μέγεθος με μεταγενέστερη επεξεργασία ή τροποποιώντας το σχέδιο. Το DownSkin είναι επίσης σχετικά τραχύ, αλλά η τραχύτητα είναι ομοιόμορφη, κάτι που βοηθά με τεχνικές φινιρίσματος χύδην επιφάνειας, όπως η κατεργασία λειαντικής ροής. Επίσης, δεν υπάρχει σχεδόν καθόλου πορώδες (δείτε την εικόνα παρακάτω), το πορώδες περιορίζεται στο DownSkin. Επομένως, οι συνολικές μηχανικές ιδιότητες δεν επηρεάζονται και μπορείτε ακόμα να βασιστείτε στη διαδικασία InFill υψηλής ποιότητας που αναπτύχθηκε από την EOS. Επομένως, μια δευτερεύουσα διεργασία όπως η θερμή ισοστατική συμπίεση δεν απαιτείται επίσης για να επιτευχθούν επαρκείς μηχανικές ιδιότητες.
Μετα-επεξεργασία (Abrasive Flow Machining, AM Metals)
Η κατεργασία με λειαντική ροή είναι μια κοινή τεχνική φινιρίσματος επιφανειών που χρησιμοποιείται για εφαρμογές που σχετίζονται με τη ροή και εσωτερικές γεωμετρίες. Τα λειαντικά μέσα ωθούνται μέσα από το τμήμα που συγκρατείται στο εξάρτημα. Τα λειαντικά σωματίδια στα μέσα αλέθουν και γυαλίζουν την επιφάνεια κατά μήκος της διαδρομής ροής. Ως προετοιμασία για το φινίρισμα της εσωτερικής επιφάνειας, η κλειστή εξωτερική διάμετρος πρέπει να κατεργαστεί σε ανοιχτή, διάμετρος και ύψος μέρους προσαρμοσμένα στο εξάρτημα για τη διαδικασία AFM. Μετά την προκαταρκτική κατεργασία, το εξάρτημα συσφίγγεται και τα λειαντικά μέσα ωθούνται μέσω του εξαρτήματος με τη βοήθεια του σφιγκτήρα. Μετά τη διαδικασία AFM, η πτερωτή κατεργάζεται στο τελικό μέγεθος.
Το τελικό μέρος επεξεργάστηκε με λειαντική κατεργασία ροής (AFM)
Με τη συνεχή πρόοδο της τεχνολογίας 3D εκτύπωσης, τα μεταλλικά 3D εκτυπωμένα εξαρτήματα θα συνεχίσουν να αναπτύσσονται προς την αγορά του τελικού καταναλωτή.