Het toevoegen en verwijderen van dragers is lange tijd een uitdaging geweest tijdens metaaladditieve fabricage (AM). Met direct metal laser sintering (DMLS) als voorbeeld, moet het model voor het printen vooraf worden ingesteld met ondersteuningsstructuren om vervorming veroorzaakt door thermische spanning te voorkomen en warmte weg te leiden van het smeltbad. Deze beugels maken deel uit van het ontwerp en de fabricage als geheel. Na de bouw werd de draagconstructie gedemonteerd en afgevoerd. Zonder steunen is het moeilijk om vrijdragende structuren te printen onder een bepaalde hellingshoek (meestal rond de 45 graden), wat vaak de mogelijkheden voor gebruikers van metalen 3D-printsystemen beperkt, en ook veel OEM's van apparatuur en additieve productiesoftwarebedrijven met zich meebrengt. een grote uitdaging.
Om bovenstaande problemen op te lossen, hebben experts van EOS-bedrijf Additive Minds nu verschillende procesoptimalisatietechnieken ontwikkeld om 3D-geprinte onderdelen te produceren zonder ondersteunende structuren, zoals statorringen, behuizingen, turbopompen, olietanks, warmtewisselaars, kleppen en waaiers, waarvan de gesloten waaier is een van de meer typische gevallen. Door geoptimaliseerde ontwerpsoftware en parameterpakketten stelt EOS gebruikers in staat om uitkragingen en bruggen onder lagere hoeken (soms zelfs nul) te printen, waarvoor veel minder of geen ondersteuning nodig is.
Niet-ondersteunde additive manufacturing bespaart ook veel tijd in de nabewerkingsfase, omdat er geen extra ondersteuningen hoeven te worden verwijderd. In het geval van handmatige verwijdering maakt dit medewerkers ook tijd en energie vrij voor andere werkzaamheden. Het vervaardigen van onderdelen zonder een ondersteunende structuur vermindert ook materiaalverspilling, omdat er niets wordt weggegooid en alle aspecten van het ontwerp van het onderdeel en de ondersteuning noodzakelijk zijn. Dit is echter geen eenvoudig proces, en softwareontwerpexperts en fabrikanten werken al jaren aan de uitdaging van niet-ondersteund ontwerp.
In dit artikel wordt vooral getoond hoe de experts van EOS de niet-ondersteunde methode gebruiken om de waaier te bouwen. Gesloten of gehulde waaiers worden in veel industrieën gebruikt en variëren sterk in grootte, vorm, materiaal en prestatie-eisen. Gesloten waaiers worden vaak blootgesteld aan extreme omstandigheden zoals hoge rotatiesnelheden, sterk corrosieve media en mechanische belastingen veroorzaakt door extreme temperaturen. Bijvoorbeeld turbopomptoepassingen in ruimteraketten, compressiesystemen in microturbines en zeewaterpompen in olie- en gastoepassingen.
Ondersteuning van ontwerpvereisten bij traditioneel 3D-printen van metaal
Het ontwerpen van 3D-geprinte onderdelen met steunen is een standaardbenadering van additive manufacturing (AM). Het aantal, de grootte en de locatie van de steunen worden bepaald door een aantal factoren:
Restspanningen tijdens het printen kunnen vervorming van het 3D-model veroorzaken. Om deze vervorming fysiek te voorkomen, kunnen steunen worden toegevoegd;
Onderbreking van de recoater die de tussenbouw van het onderdeel beïnvloedt, kan het onderdeel doen trillen of schade veroorzaken, wat resulteert in een mislukte klus. Beugels worden gebruikt om de onderdelen te beschermen tegen invloeden van de overschilder;
Warmteoverdracht via steunen zorgt ervoor dat onderdelen tijdens het bouwproces sneller en succesvoller kunnen afkoelen en vormen.
Om ervoor te zorgen dat een 3D-printer onderdelen bouwt en met succes produceert, moet rekening worden gehouden met verschillende redenen die van invloed zijn op het ontwerp van de ondersteuning, waaronder:
De onderdeeloriëntatie bepaalt hoeveel van het onderdeel moet worden ondersteund. Als de onderdelen zo zijn georiënteerd dat er geen groter oppervlak op de bouwplaat ligt, is doorgaans meer ondersteuning nodig om de bovenstaande factoren te compenseren.
Overhangen van 45 graden of minder worden over het algemeen geacht ondersteuningsstructuren te vereisen.
Kanalen en gaten kunnen vervormen zonder ondersteuning, afhankelijk van hun grootte en of ze niet effectief zijn georiënteerd.
Modelontwerp
Gewapend met de juiste expertise en creatieve probleemoplossende vaardigheden, heeft het team van EOS met succes nieuwe manieren ontwikkeld om modellen te ontwerpen en te bouwen, waarbij het vooropgezette idee van "low dips must add support" doorbroken werd, met uitstekende resultaten. De waaier die in dit artikel wordt gebruikt om de niet-ondersteunde structuur en de mogelijkheden van het DMLS-proces te demonstreren, is ontworpen door EOS Additive Minds met een diameter van 150 mm met 12 bladen met overhanghoeken tot 10 graden.
Inclinatierichting en ondersteuningsstructuur van de leden
Waaiers worden meestal schuin gedrukt om interne ondersteuning te vermijden, omdat ze moeilijk te verwijderen zijn. Deze oriëntatie resulteert echter meestal in langere bouwtijden, ongelijkmatige oppervlaktekwaliteit en de ronding van het onderdeel lijdt. Planaire oriëntatie biedt verschillende voordelen, zoals kortere bouwtijden, betere ronding en nauwkeurigheid en een meer uniforme oppervlaktekwaliteit over het onderdeel. Lage overhangen vereisen echter meestal veel ondersteuning. Voor het huidige DMLS-proces moeten grotere uitsteeklengtes van minder dan 35 graden worden ondersteund. Er zijn steunen nodig om de warmte van het smeltbad af te voeren om de overschilderkrachten en de interne spanning van het onderdeel te compenseren.
Niet-ondersteunde ontwerpoptimalisatie
EOS vermindert de noodzaak om interne ondersteuning toe te voegen aanzienlijk door gebruik te maken van geavanceerde modelontwerptechnieken. De ontwerpoptimalisatie van het additive manufacturing-proces is ook een ander belangrijk aspect dat verband houdt met het succes van printen. Terwijl interne ondersteuning vooral kan worden vermeden door het gebruik van aangepaste blootstellingsstrategieën, zijn externe ondersteuningsstructuren vaak nog steeds nodig.
In het geval van de waaier van dit artikel werd de onderkant van het onderdeel aangepast door gebruik te maken van zelfdragende bogen en dunne wanden om een sterke platformverbinding te garanderen en vervorming tijdens de constructie te voorkomen. Dit maakt het gebruik van minder materiaal mogelijk dan conventionele stents, terwijl het een hoge sterkte en verbeterde bewerkbaarheid biedt. De buitendiameter van de waaier is gesloten om een grotere stijfheid aan het onderdeel te geven wanneer het is gebouwd en om verlies van geometrische nauwkeurigheid aan de uitlaatrand te voorkomen. Voor deze waaier maakt een geavanceerd ontwerp een materiaalbesparing van 15 procent mogelijk, terwijl het machine-geoptimaliseerd en zelfdragend is, zonder interne ondersteuning.
Proces optimalisatie
De waaier is geconstrueerd met behulp van de zogenaamde high-energy DownSkin-methode (het type blootstelling dat wordt gebruikt om overhangende oppervlakken te bouwen). In wezen verhoogt deze methode de energiedichtheidsinvoer van de DownSkin-blootstelling door het laservermogen te vergroten terwijl andere DownSkin-parameters worden aangepast. Dit levert een groter maar stabieler smeltbad op, vooral bij het bouwen van overstekken op losse poeders. Deze methode is met succes gebruikt voor veel materialen die vaak worden gebruikt om waaiers te maken (bijv. Ti64, 316L, AlSi10Mg, In718, enz.).
Daarom kan ervoor worden gezorgd dat alle kritische hoeken kunnen profiteren van deze geoptimaliseerde parameter. In tegenstelling tot andere niet-ondersteunde technologieën, doet de energiezuinige DownSkin-benadering geen concessies aan de bouwsnelheid en dus ook aan de businesscase om ondersteuning te vermijden.
Als er geen tegenmaatregelen zijn, kan de high-energy DownSkin-methode resulteren in te grote onderdelen in de z-richting in het DownSkin-gebied vanwege het diepe lasbad. Onderdelen kunnen op de juiste maat worden aangepast door nabewerking of door het ontwerp te tweaken. DownSkin is ook relatief ruw, maar de ruwheid is uniform, wat helpt bij bulkafwerkingstechnieken zoals schurende stroombewerking. Er is ook nauwelijks porositeit (zie afbeelding hieronder), porositeit is beperkt tot DownSkin. Daarom worden de algehele mechanische eigenschappen niet aangetast en kunt u nog steeds vertrouwen op het hoogwaardige InFill-proces dat is ontwikkeld door EOS. Daarom is een secundair proces zoals heet isostatisch persen ook niet nodig om voldoende mechanische eigenschappen te verkrijgen.
Nabewerking (Abrasive Flow Machining, AM Metals)
Abrasieve stroombewerking is een veelgebruikte oppervlakteafwerkingstechniek die wordt gebruikt voor stroomgerelateerde toepassingen en interne geometrieën. De schurende media worden door het onderdeel geduwd dat in het armatuur wordt vastgehouden. De schurende deeltjes in de media slijpen en polijsten het oppervlak langs het stroompad. Als voorbereiding voor de afwerking van het binnenoppervlak moet de gesloten buitendiameter worden bewerkt tot een open, diameter en deelhoogte aangepast aan de opspanning voor het AFM-proces. Na de voorbewerking wordt het onderdeel vastgeklemd en wordt met behulp van de klem abrasieve media door het onderdeel geduwd. Na het AFM-proces wordt de waaier tot de uiteindelijke maat bewerkt.
Het laatste onderdeel behandeld met Abrasive Flow Machining (AFM)
Met de voortdurende vooruitgang van de 3D-printtechnologie zullen 3D-geprinte metalen onderdelen zich blijven ontwikkelen richting de eindconsumentenmarkt.