Is oplosbare ondersteuning haalbaar bij 3D-printen van metaal?

1. Technisch principe: Opofferingsanode voor elektrochemische doorbraak
De opofferingsanodebeschermingsmethode, waarbij gebruik wordt gemaakt van het potentiaalverschil tussen twee metalen in de elektrolyt om selectieve corrosie te veroorzaken, vormt de basis voor de oplosbare ondersteuningstechnologie. Bij het 3D-printen van metaal wordt deze techniek op een nieuwe manier gebruikt om het onderdeellichaam te scheiden van de ondersteunende structuur:
De juiste materialen kiezen: gebruik metalen die niet roesten (zoals roestvrij staal) voor de onderdelen en metalen die wel roesten (zoals staal met een laag-koolstofgehalte) voor de steunen. Het team van de Arizona State University gebruikte bijvoorbeeld een mix van AISI 431 roestvrij staal (voor onderdelen) en Metco 91 koolstofarm staal (voor steunen) om de steunen op te lossen in salpeterzuur zonder de oppervlakken van de onderdelen te beschadigen.
Elektrochemische versnelling-: door simpelweg salpeterzuur te gebruiken, verloopt corrosie langzamer (het lost slechts 1,4 mm koolstofstaal op in 10 uur), maar door zuurstofbellen toe te voegen gebeurt dit zes keer sneller. Zuurstof breekt de passivatielaag op het oppervlak van koolstofstaal af, versnelt de ontwikkeling van corrosiestroom en lost de laatste 7 mm koolstofstaal volledig op in 6 uur.
Controle die selectief is: Voor ondersteunende materialen moeten elektrolyten een oplosbaarheidsselectiviteit hebben van meer dan 100:1. Salpeterzuur vreet bijvoorbeeld meer dan 1000 keer sneller aan koolstofstaal dan aan roestvrij staal, wat betekent dat de behuizing van het onderdeel niet wordt beschadigd.
2. Compatibiliteit van materialen: metallurgische beperkingen en oplossingen
Om oplosbare ondersteuning in de industrie te kunnen gebruiken, moeten twee grote problemen in de materiaalkunde worden opgelost:
Metallurgische compatibiliteit: Aan de volgende voorwaarden moet worden voldaan door zowel ondersteunende materialen als componentmaterialen:
Structurele gelijkenis van kristallen: om grensvlakspanningsscheuren te voorkomen die kunnen optreden als de thermische uitzettingscoëfficiënten verschillend zijn. Staal met een laag-koolstofgehalte en roestvrij staal hebben bijvoorbeeld beide kubusvormige structuren in het midden- en een verschil in thermische uitzettingscoëfficiënt van minder dan 10%. Dit betekent dat ze hoge temperatuurveranderingen aankunnen tijdens het 3D-printen van metaal.
Blijf uit de buurt van intermetallische verbindingen: Sommige combinaties van materialen, zoals titanium- en aluminiumlegeringen, hebben een grotere kans bros te worden bij hoge temperaturen. Om dit te voorkomen, moet u de procesparameters reguleren of een tussenlaag opbouwen.
Uitbreiding van het materiaalsysteem: Huidig ​​onderzoek heeft aangetoond dat het roestvrijstalen-koolstofstaalsysteem mogelijk is, en dat er in de toekomst nog meer combinaties van materialen moeten worden gemaakt.
Legering voor hoge- temperaturen: Inconel 718 en bepaalde opofferingsanodematerialen kunnen samen worden gebruikt om hotend-onderdelen voor vliegtuigmotoren te maken.
Titaniumlegering: Door de elektrolytformule te verfijnen- kunnen Ti6Al4V en oplosbare ondersteuning samenwerken.
Vuurvaste metalen: om de ondersteuning van metalen met een hoog-smeltpunt- zoals wolfraam en tantaal te verwijderen, moeten we elektrochemische systemen creëren die bij hoge temperaturen werken.
3, Procesoptimalisatie: de sprong maken van het laboratorium naar de productielijn
Om oplosbare ondersteuningstechnologie te industrialiseren moeten drie belangrijke procesknelpunten worden overwonnen:
Verbetering van de efficiëntie van corrosie: Elektrochemische pulstechnologie: helpt corrosieproducten te verwijderen en voorkomt de vorming van passivatielagen door de stroom in en uit te schakelen. Gepulseerde spanning kan koolstofstaal bijvoorbeeld drie keer sneller laten corroderen.
Ultrasone hulp: Het toevoegen van ultrasone golven aan de elektrolyt versnelt de massaoverdracht door cavitatie te veroorzaken, waardoor de corrosietijd met meer dan 50% wordt verkort.
Kwaliteitscontrole van het oppervlak:
Systeem voor circulerende elektrolyten: Het verpompen van circulerende elektrolyten zorgt ervoor dat de oppervlakteruwheid niet verergert door lokale concentratieverschillen te voorkomen. Een sproeicorrosietank kan bijvoorbeeld het oppervlak van voorwerpen minder ruw maken, van Ra10 μm tot Ra2 μm.
Polijsten na behandeling: Elektrochemische corrosie kan, samen met -contactloze methoden zoals magnetorheologisch polijsten, een oppervlak zo glad maken als een spiegel (Ra<0.1 μ m).
Geautomatiseerde integratie:
Systeem om dingen online te vinden: Industriële CT maakt realtime monitoring van ondersteunende residuen en dynamische aanpassing van corrosieparameters mogelijk. Het Smart Clean-systeem van GE Additive kan bijvoorbeeld automatisch steunpunten vinden en de verdeling van de stroomdichtheid verbeteren.
Closed loop control: Gebruik machine learning-methoden om een ​​model te ontwikkelen dat de corrosiesnelheid voorspelt, zodat procesparameters automatisch kunnen worden gewijzigd. Nadat een vliegtuigmaatschappij deze techniek had toegepast, steeg het percentage ondersteuningsverwijderingen van 70% naar 99%.
4. Industriële toepassingsmogelijkheden: van ingewikkelde constructies tot massaproductie
In de praktijk-productie is gebleken dat oplosbare ondersteuningstechnologie behoorlijk nuttig is:
Op het gebied van de lucht- en ruimtevaart gebruikt GE Aviation oplosbaar ondersteunend printen om de Inconel 718 verbrandingskamer te maken. Dit verkort de tijd die nodig is om de drager te verwijderen van 40 uur naar 8 uur, en er zijn geen sporen van mechanische schade op het oppervlak.
Een satellietfabrikant heeft met succes een warmtewisselaar met 2000 microkanalen geprint met behulp van oplosbare ondersteuningstechnologie. De kanalen zijn slechts 0,5 mm breed en het poederresidu bedraagt ​​minder dan 0,1%.
Medische implantaten: Gepersonaliseerd heupgewricht: Johnson&Johnson Medical maakt gebruik van oplosbare ondersteuning om Ti6Al4V-heupgewrichten te printen met een oppervlakteruwheid van Ra0,8 μm. Dit voldoet aan de orthopedische implantaatnormen en vermijdt problemen met oppervlakteharding die kunnen optreden bij traditionele machinale bewerking.
Tandheelkundige implantaten: Een tandheelkundig bedrijf heeft de tijd die nodig is om implantaten te printen teruggebracht van drie dagen naar één dag met behulp van oplosbare ondersteuningstechnologie. Hierdoor zijn de prijzen met 40% gedaald.
Mallen maken: Een flexibele koelmal wordt gemaakt door gietstaal (zoals H13) te combineren met een oplosbare drager. Hiermee print je ingewikkelde koelkanalen. Toen deze techniek in een bepaalde automatrijzenfabriek werd toegepast, steeg de koelefficiëntie van de matrijs met 30% en de tijd die nodig was om een ​​matrijs te maken met 25%.