Pridávanie a odstraňovanie nosičov bolo dlho výzvou počas výroby kovových prísad (AM). Ak vezmeme ako príklad priame laserové spekanie kovov (DMLS), model musí byť pred tlačou vopred nastavený s podpornými štruktúrami, aby sa predišlo deformácii spôsobenej tepelným namáhaním a odvádzalo teplo preč z roztaveného kúpeľa. Tieto konzoly sú súčasťou dizajnu a výroby ako celku. Po výstavbe bola nosná konštrukcia demontovaná a zlikvidovaná. Bez podpier je ťažké tlačiť konzolové konštrukcie pod určitým uhlom sklonu (zvyčajne okolo 45 stupňov), čo často obmedzuje možnosti používateľov kovových 3D tlačových systémov a prináša to aj mnohým výrobcom zariadení a softvérovým spoločnostiam na aditívnu výrobu. veľká výzva.
Na vyriešenie vyššie uvedených problémov teraz odborníci zo spoločnosti EOS Additive Minds vyvinuli rôzne techniky optimalizácie procesov na výrobu 3D tlačených dielov bez podporných štruktúr, ako sú statorové krúžky, kryty, turbo čerpadlá, olejové nádrže, výmenníky tepla, ventily a obežné kolesá, z ktorých uzavreté obežné koleso je jedným z najtypickejších prípadov. Prostredníctvom optimalizovaného návrhového softvéru a balíkov parametrov umožňuje EOS používateľom tlačiť konzoly a mostíky pod menšími uhlami (niekedy dokonca nulovými), čo vyžaduje oveľa menej alebo žiadne podpory.
Nepodporovaná aditívna výroba tiež šetrí veľa času vo fáze následného spracovania, pretože nie je potrebné odstraňovať žiadne ďalšie podpery. V prípade ručného sťahovania sa tým zároveň uvoľňuje čas a energia zamestnancov na inú prácu. Výroba dielov bez nosnej konštrukcie tiež znižuje plytvanie materiálom, pretože sa nič nevyhodí a sú potrebné všetky aspekty konštrukcie dielu a podpery. Nie je to však jednoduchý proces a odborníci na softvérový dizajn a výrobcovia už roky pracujú na výzve nepodporovaného dizajnu.
V tomto článku je hlavne ukázané, ako odborníci z EOS využívajú nepodporovanú metódu na konštrukciu obežného kolesa. Uzavreté alebo zakryté obežné kolesá sa používajú v mnohých priemyselných odvetviach a veľmi sa líšia veľkosťou, tvarom, materiálom a požiadavkami na výkon. Uzavreté obežné kolesá sú často vystavené extrémnym podmienkam, ako sú vysoké otáčky, vysoko korozívne médiá a mechanické zaťaženie spôsobené extrémnymi teplotami. Napríklad aplikácie turbočerpadiel vo vesmírnych raketách, kompresné systémy v mikroturbínach a čerpadlá na morskú vodu v aplikáciách ropy a zemného plynu.
Podporte požiadavky na dizajn v tradičnej kovovej 3D tlači
Navrhovanie 3D tlačených dielov s podperami je štandardným prístupom k aditívnej výrobe (AM). Počet, veľkosť a umiestnenie podpier závisí od mnohých faktorov:
Zvyškové napätia počas tlače môžu spôsobiť deformáciu 3D modelu. Je možné pridať podpery, aby sa fyzicky zabránilo tejto deformácii;
Prerušenie nanášania náteru ovplyvňujúce strednú konštrukciu dielu môže diel rozvibrovať alebo spôsobiť poškodenie, čo má za následok neúspešnú prácu. Konzoly sa používajú na ochranu dielov pred akýmkoľvek vplyvom prelakovača;
Prenos tepla cez podpery umožňuje častiam ochladzovať a tvarovať rýchlejšie a úspešnejšie počas procesu výstavby.
Aby sa zabezpečilo, že 3D tlačiareň vytvorí a úspešne vyrába diely, je potrebné zvážiť rôzne dôvody, ktoré ovplyvňujú návrh podpory, vrátane:
Orientácia dielu určuje, akú veľkú časť dielu treba podoprieť. Typicky, ak sú diely orientované tak, že väčšia plocha nie je na stavebnej doske, je potrebná väčšia podpora na kompenzáciu vyššie uvedených faktorov.
Previsy 45 stupňov alebo menej sa vo všeobecnosti považujú za vyžadujúce podporné konštrukcie.
Kanály a otvory sa môžu bez podpory deformovať v závislosti od ich veľkosti a od toho, či sú orientované neefektívne.
Dizajn modelu
Vyzbrojený správnymi odbornými znalosťami a kreatívnymi zručnosťami pri riešení problémov, tím spoločnosti EOS úspešne vyvinul nové spôsoby navrhovania a zostavovania modelov, čím narušil zaužívanú predstavu „nízke poklesy musia pridať podporu“ s vynikajúcimi výsledkami. Obežné koleso použité v tomto článku na demonštráciu nepodporovanej konštrukcie a schopností procesu DMLS bolo navrhnuté spoločnosťou EOS Additive Minds s priemerom 150 mm s 12 lopatkami s uhlom previsu do 10 stupňov.
Smer sklonu člena a nosná konštrukcia
Obežné kolesá sú zvyčajne vytlačené v naklonenej orientácii, aby sa zabránilo vnútorným podperám, pretože je ťažké ich odstrániť. Táto orientácia však zvyčajne vedie k dlhším časom výstavby, nerovnomernej kvalite povrchu a zaobleniu dielu. Rovinná orientácia ponúka niekoľko výhod, ako sú kratšie časy zostavenia, lepšia kruhovitosť a presnosť a rovnomernejšia kvalita povrchu naprieč dielom. Nízke presahy však zvyčajne vyžadujú veľkú podporu. Pre súčasný proces DMLS je potrebné podporovať väčšie presahy menšie ako 35 stupňov. Na odvádzanie tepla z roztaveného kúpeľa sú potrebné podpery, aby sa kompenzovali sily pri pretieraní a vnútorné napätie dielov.
Nepodporovaná optimalizácia dizajnu
EOS výrazne znižuje potrebu pridania internej podpory využitím pokročilých techník navrhovania modelov. Optimalizácia dizajnu procesu aditívnej výroby je tiež ďalším dôležitým aspektom, ktorý súvisí s úspešnosťou tlače. Zatiaľ čo internej podpore sa možno vyhnúť predovšetkým použitím upravených stratégií expozície, často sú stále potrebné vonkajšie podporné štruktúry.
V prípade obežného kolesa tohto článku sa namiesto použitia pevnej výplne upravila spodná časť dielu použitím samonosných oblúkov a tenkých stien, aby sa zabezpečilo pevné spojenie plošiny a zabránilo sa deformácii počas výstavby. To umožňuje použitie menšieho množstva materiálu ako bežné stenty a zároveň poskytuje vysokú pevnosť a lepšiu opracovateľnosť. Vonkajší priemer obežného kolesa je uzavretý, aby poskytoval väčšiu tuhosť dielu pri montáži a aby sa zabránilo strate geometrickej presnosti na výstupnej hrane. Pokročilá konštrukcia tohto obežného kolesa umožňuje 15-percentnú redukciu materiálu, pričom je strojovo optimalizovaná a samonosná, bez vnútornej podpory.
Optimalizácia procesov
Obežné koleso je skonštruované pomocou takzvanej vysokoenergetickej metódy DownSkin (typ expozície, ktorý sa používa na vytváranie previsnutých plôch). Táto metóda v podstate zvyšuje vstupnú hustotu energie expozície DownSkin zvýšením výkonu lasera pri úprave iných parametrov DownSkin. To vytvára väčší, ale stabilnejší bazén taveniny, najmä pri budovaní previsov na sypkých práškoch. Táto metóda bola úspešne použitá pre mnohé materiály často používané na výrobu obežných kolies (napr. Ti64, 316L, AlSi10Mg, In718 atď.).
Preto je možné zabezpečiť, že všetky kritické uhly môžu mať prospech z tohto optimalizovaného parametra. Na rozdiel od iných nepodporovaných technológií, vysokoenergetický prístup DownSkin neobetuje rýchlosť budovania, a teda obchodný prípad, aby sa vyhlo podpore.
Pri absencii akýchkoľvek protiopatrení môže vysokoenergetická metóda DownSkin viesť k nadmerne veľkým dielom v smere z v oblasti DownSkin v dôsledku hlbokého zvarového kúpeľa. Časti je možné upraviť na správnu veľkosť následným spracovaním alebo úpravou dizajnu. DownSkin je tiež relatívne drsný, ale drsnosť je rovnomerná, čo pomáha pri technikách povrchovej úpravy, ako je abrazívne obrábanie. Tiež nie je takmer žiadna pórovitosť (pozri obrázok nižšie), pórovitosť je obmedzená na DownSkin. Celkové mechanické vlastnosti teda nie sú ovplyvnené a stále sa môžete spoľahnúť na kvalitný proces InFill vyvinutý spoločnosťou EOS. Preto na získanie dostatočných mechanických vlastností nie je potrebný ani sekundárny proces, ako je izostatické lisovanie za tepla.
Následné spracovanie (obrábanie s abrazívnym prúdom, AM kovy)
Abrazívne prietokové obrábanie je bežná technika povrchovej úpravy používaná pre aplikácie súvisiace s prietokom a pre vnútorné geometrie. Abrazívne médium sa pretláča cez časť držanú v prípravku. Abrazívne častice v médiu brúsia a leštia povrch pozdĺž dráhy toku. Ako príprava na konečnú úpravu vnútorného povrchu musí byť uzavretý vonkajší priemer opracovaný do otvoreného, priemer a výška dielu sa prispôsobí prípravku pre proces AFM. Po predopracovaní sa dielec upne a pomocou upínača sa cez dielec pretlačí abrazívne médium. Po procese AFM je obežné koleso opracované na konečnú veľkosť.
Záverečná časť ošetrená abrazívnym prietokovým obrábaním (AFM)
S neustálym pokrokom technológie 3D tlače sa kovové 3D tlačené diely budú naďalej vyvíjať smerom k trhu koncových spotrebiteľov.