Waarom moet de metalen ondersteuningsstructuur voor 3D-printen worden verwijderd?

1. De belangrijkste taak van ondersteunende structuren en hoe deze in de loop van de tijd zijn veranderd
Fysieke barrières voor het beheersen van de thermodynamica
Tijdens het 3D-printproces van metaal creëren laser- of elektronenstralen op kleine plaatsen zeer hoge temperaturen (boven de 2000 graden), waardoor het materiaal zeer snel verandert van vloeibaar naar vast. De draagconstructie dient daarbij twee doelen. Ten eerste verplaatst het als thermisch geleidend medium snel warmte van het zwevende gebied naar het substraat, waardoor er geen restspanning ontstaat als gevolg van lokale oververhitting. Ten tweede voorkomt het, door de metaalstroom te beperken, dat het gesmolten bad door de zwaartekracht instort. Bij het printen van een waaier van titaniumlegering kan de ondersteuningsstructuur bijvoorbeeld de thermische spanning met 60% verminderen wanneer de ophanghoek kleiner is dan 45 graden. Dit verlaagt de vervormingssnelheid van de onderdelen van 32% naar minder dan 5%.
Het onvermijdelijke resultaat van procesiteratie
Vroege metalen 3D-printmachines hadden veel ondersteunende structuren nodig omdat ze de energiedichtheid niet zo goed konden beheren. Moderne SLM-apparaten kunnen 'adaptieve ondersteuning' bieden door de laservermogensdichtheid dynamisch te wijzigen dankzij de ontwikkeling van multi-natuurkundige koppelingsmodelleringstechnologieën. Het LiM-X260A-apparaat van Leiming Laser heeft bijvoorbeeld met succes hangende structuren geprint zonder enige ondersteuning onder kleine hoeken van 5 graden -35 graden door gebruik te maken van geoptimaliseerde scanalgoritmen. Dit verminderde de hoeveelheid benodigde ondersteunende materialen met 78%. Maar deze technologie is nog steeds alleen bruikbaar voor bepaalde soorten materialen en vormen.
2. Nog steeds aanwezige fatale gebreken in de draagconstructie
Ongeziene moordenaars van materiële eigenschappen
De materiële interface van de ondersteunende structuur en het druklichaam verschillen sterk van elkaar wat betreft de manier waarop ze zijn georganiseerd. Bij het printen met 316L roestvrij staal kunnen zich grove kolomvormige kristallen vormen op de kruising tussen de rastersteun en de vaste stof. Hierdoor wordt het gebied 15% tot 20% zachter en 40% minder duurzaam. Het "kleine anode grote kathode" effect van ondersteunende residuen kan elektrochemische corrosie veroorzaken, wat zeer slecht is voor belangrijke onderdelen zoals turbineschijven in vliegtuigmotoren, aangezien het de corrosiesnelheid drie tot vijf keer versnelt.
Schadelijke effecten op de nauwkeurigheid van vormen
Op het contactpunt tussen de draagconstructie en het oppervlak van het onderdeel ontstaat een overgangslaag van 0,1 tot 0,3 mm dik. Deze laag vertoont waarschijnlijk oppervlaktefouten wanneer deze mechanisch wordt verwijderd. Het brandstofmondstuk van GE Aviation heeft bijvoorbeeld een intern stroomkanaal met een diameter van slechts 2 mm. Als er restondersteuning is, kan het stromingskanaalgedeelte meer dan 8% buigen, wat direct invloed heeft op het brandstofverstuivingseffect. Zelfs met geavanceerde technieken als elektrochemische oplossing kan plaatselijke corrosie op een niveau van 0,05 mm nog steeds optreden als de stroomdichtheid niet gelijkmatig is verdeeld.
Het zwakke punt van kostenbeheersing
De kosten van het materiaal dat wordt gebruikt om de ondersteunende structuur te maken, bedragen ongeveer 12% tot 18% van de totale kosten van 3D-printen met metaal. De kosten van op nikkel-gebaseerde hoge--legeringen bedragen meer dan $ 2000 per kilogram, en het weggooien van extra materialen is te veel werk. De arbeidskosten van de post-fase van de verwerking zijn veel zorgwekkender, omdat deze wel 25% tot 30% kunnen bedragen. In de geautomatiseerde productielijn van BMW IDAM moeten mensen nog steeds helpen bij het verwijderingsproces, wat een groot knelpunt is geworden dat verhindert dat het volledige proces geautomatiseerd wordt.
3. Doorbraken en problemen met technologie die helpt bij verwijdering
Een revolutie in precisiemechanische verwijdering
Er zijn twee belangrijke problemen met traditionele mechanische processen zoals draadsnijden en frezen: ten eerste zijn ze moeilijk te bereiken vanwege de complexe inwendige holtestructuren, en ten tweede zijn ze moeilijk te controleren op micrometerniveau. Het NetShape-robotsysteem van Rivelin Robotics kan de contactkracht tot op 0,1 N regelen met behulp van een force feedback-besturingsalgoritme. Bij gebruik met een visueel 3D-positioneringssysteem kan het automatisch steunresten vinden en verwijderen, waardoor het oppervlak gladder wordt (van Ra6,3 μm tot Ra1,6 μm) en de verwerking tien keer sneller gaat.
Selectieve doorbraak in chemisch etsen
De elektrochemisch ondersteunde verwijderingstechnologie, ontwikkeld door de Arizona State University, bereikt selectief oplossen door het creëren van een differentieel potentieel veld. In het 304 roestvrij staal/koolstofstaalsysteem kan de combinatie van een salpeterzuuroplossing van 41 gew.% en zuurstof de 7 mm dikke koolstofstalen ondersteuning in 6 uur volledig verwijderen. Het houdt ook de corrosiesnelheid van het roestvrijstalen substraat onder de 0,002 mm/u. Deze technologie is gebruikt om medische implantaten te maken, waardoor de tijd die nodig is om de steun te verwijderen, is teruggebracht van 48 uur naar 8 uur.
Slimme algoritmen gebruiken om voorspellingen te doen over hoe dingen kunnen worden verbeterd
De Belgische startup Materialise maakt software genaamd Magics die machine learning-modellen kan gebruiken om automatisch de beste ondersteuningsstructuren te construeren. Het systeem leert van 100.000 sets procesgegevens en kan voorspellen hoe thermische spanning zich over verschillende vormen zal verspreiden. Het kan ook de ondersteuningsdichtheid en het contactoppervlak zelf wijzigen. Bij het printen van een bepaald deel van de structuur van een vliegtuig verminderde de geoptimaliseerde ondersteuningsmethode het materiaalgebruik met 42% en de na-verwerkingstijd met 65%.