Добавянето и премахването на опори отдавна е предизвикателство по време на производството на метални добавки (AM). Като вземем за пример директно метално лазерно синтероване (DMLS), моделът трябва да бъде предварително настроен с опорни структури преди отпечатване, за да се избегне деформация, причинена от топлинно напрежение и да се отведе топлината далеч от разтопения басейн. Тези скоби са част от дизайна и производството като цяло. След изграждането носещата конструкция е демонтирана и изхвърлена. Без опори е трудно да се отпечатват конзолни конструкции под определен ъгъл на наклон (обикновено около 45 градуса), което често ограничава възможностите за потребителите на метални 3D системи за печат, а също така носи много производители на оборудване и софтуерни компании за производство на добавки. голямо предизвикателство.
За да решат горните проблеми, експертите от компанията EOS Additive Minds вече са разработили различни техники за оптимизиране на процеса за производство на 3D отпечатани части без опорни структури, като статорни пръстени, корпуси, турбо помпи, маслени резервоари, топлообменници, клапани и работни колела, от които затвореното работно колело е един от по-типичните случаи. Чрез оптимизиран софтуер за проектиране и пакети с параметри, EOS позволява на потребителите да отпечатват конзоли и мостове под по-малки ъгли (понякога дори нула), изискващи много по-малко или никакви опори.
Неподдържаното адитивно производство също спестява много време в етапа на последваща обработка, тъй като не е необходимо да се премахват допълнителни опори. В случай на ръчно отстраняване това също освобождава време и енергия на служителите за друга работа. Производството на части без носеща конструкция също намалява материалните отпадъци, тъй като нищо не се изхвърля и всички аспекти на частта и дизайна на опората са необходими. Това обаче не е лесен процес и експертите и производителите на софтуерен дизайн работят от години върху предизвикателството на неподдържания дизайн.
В тази статия основно е показано как експертите от EOS използват неподдържания метод за конструиране на работното колело. Затворените или покрити работни колела се използват в много индустрии и се различават значително по размер, форма, материал и изисквания за производителност. Затворените работни колела често са изложени на екстремни условия като високи скорости на въртене, силно корозивни среди и механични натоварвания, причинени от екстремни температури. Например приложения с турбопомпи в космически ракети, системи за компресия в микротурбини и помпи за морска вода в приложения за нефт и газ.
Поддържайте изискванията за проектиране в традиционния метален 3D печат
Проектирането на 3D-отпечатани части с опори е стандартен подход към адитивното производство (AM). Броят, размерът и местоположението на опорите се определят от редица фактори:
Остатъчните напрежения по време на печат могат да причинят деформация на 3D модела. Могат да се добавят опори за физическо предотвратяване на тази деформация;
Прекъсването на устройството за повторно нанасяне на покритие, засягащо междинната конструкция на частта, може да вибрира частта или да причини повреда, което да доведе до неуспешна работа. Скобите се използват за защита на частите от каквото и да е влияние от страна на машината за повторно нанасяне на покритие;
Преносът на топлина през опори позволява на частите да се охлаждат и оформят по-бързо и по-успешно по време на процеса на изграждане.
За да се гарантира, че 3D принтер изгражда и успешно произвежда части, трябва да се вземат предвид различни причини, които влияят върху дизайна на поддръжката, включително:
Ориентацията на частта определя каква част от частта трябва да бъде поддържана. Обикновено, ако частите са ориентирани така, че върху строителната плоча да не е по-голяма повърхност, е необходима повече опора, за да се компенсират горните фактори.
Обикновено се счита, че надвесите от 45 градуса или по-малко изискват поддържащи конструкции.
Каналите и дупките могат да се деформират без опора в зависимост от техния размер и дали са ориентирани неефективно.
Дизайн на модела
Въоръжен с подходящия експертен опит и творчески умения за решаване на проблеми, екипът на EOS успешно разработи нови начини за проектиране и изграждане на модели, разбивайки предубедената представа за „ниските спадове трябва да добавят поддръжка“, с отлични резултати. Работното колело, използвано в тази статия за демонстриране на неподдържаната структура и възможностите на процеса DMLS, е проектирано от EOS Additive Minds с диаметър 150 mm с 12 лопатки с ъгли на надвес до 10 градуса.
Посока на наклона на члена и опорна структура
Работните колела обикновено се отпечатват в наклонена ориентация, за да се избегнат вътрешни опори, тъй като те са трудни за отстраняване. Тази ориентация обаче обикновено води до по-дълго време за изграждане, неравномерно качество на повърхността и заоблеността на частта страда. Планарната ориентация предлага няколко предимства, като по-кратки времена за изграждане, по-добра закръгленост и точност и по-равномерно качество на повърхността в детайла. Ниските надвеси обаче обикновено изискват много опора. За текущия DMLS процес трябва да се поддържат по-големи надвеси под 35 градуса. Необходими са опори за разсейване на топлината от разтопения резервоар, за да се компенсират силите за нанасяне на повторно покритие и напрежението на вътрешната част.
Неподдържана оптимизация на дизайна
EOS значително намалява необходимостта от добавяне на вътрешна поддръжка чрез използване на усъвършенствани техники за проектиране на модели. Оптимизирането на дизайна на адитивния производствен процес също е друг важен аспект, който е свързан с успеха на печата. Въпреки че вътрешната подкрепа може да бъде избегната предимно чрез използването на коригирани стратегии за експозиция, често все още са необходими външни поддържащи структури.
В случая с работното колело в тази статия, вместо да се използва плътен пълнеж, дъното на детайла беше модифицирано чрез използване на самоносещи арки и тънки стени, за да се осигури здрава връзка на платформата и да се предотврати деформация по време на конструкцията. Това позволява използването на по-малко материал от конвенционалните стентове, като същевременно осигурява висока якост и подобрена обработваемост. Външният диаметър на работното колело е затворен, за да осигури по-голяма твърдост на частта, когато е изградена, и да предотврати загуба на геометрична точност на изходния ръб. За това работно колело усъвършенстваният дизайн позволява намаляване на материала с 15 процента, като същевременно е машинно оптимизиран и самоподдържащ се, без вътрешна опора.
Оптимизация на процеса
Работното колело е конструирано по така наречения високоенергиен метод DownSkin (видът експозиция, използван за изграждане на надвиснали повърхности). По същество този метод увеличава входящата енергийна плътност на експозицията на DownSkin чрез увеличаване на мощността на лазера, докато регулира други параметри на DownSkin. Това създава по-голям, но по-стабилен резервоар за стопяване, особено когато се изграждат надвеси върху насипни прахове. Този метод е успешно използван за много материали, често използвани за направата на работни колела (напр. Ti64, 316L, AlSi10Mg, In718 и др.).
Следователно може да се гарантира, че всички критични ъгли могат да се възползват от този оптимизиран параметър. За разлика от други неподдържани технологии, високоенергийният подход DownSkin не жертва скоростта на изграждане и следователно бизнес случая за избягване на поддръжка.
При липса на каквито и да било контрамерки, високоенергийният метод DownSkin може да доведе до извънгабаритни части в z-посока в областта DownSkin поради дълбоката заваръчна вана. Частите могат да бъдат коригирани до правилния размер чрез последваща обработка или чрез промяна на дизайна. DownSkin също е сравнително грапава, но грапавостта е равномерна, което помага при техники за довършване на насипни повърхности, като абразивна обработка. Също така почти няма порьозност (вижте изображението по-долу), порьозността е ограничена до DownSkin. Следователно, цялостните механични свойства не са засегнати и все още можете да разчитате на висококачествения InFill процес, разработен от EOS. Следователно вторичен процес като горещо изостатично пресоване също не е необходим за получаване на достатъчни механични свойства.
Последваща обработка (абразивна обработка, AM метали)
Абразивната поточна обработка е често срещана техника за обработка на повърхности, използвана за свързани с поток приложения и вътрешни геометрии. Абразивната среда се избутва през частта, държана в приспособлението. Абразивните частици в средата шлифоват и полират повърхността по пътя на потока. Като подготовка за довършване на вътрешната повърхност, затвореният външен диаметър трябва да се обработи в отворен, диаметърът и височината на частта да се нагласят към приспособлението за процеса AFM. След предварителната обработка детайлът се затяга и абразивната среда се прокарва през детайла с помощта на скобата. След процеса на AFM работното колело се обработва до крайния размер.
Крайната част, обработена с абразивна обработка (AFM)
С непрекъснатия напредък на технологията за 3D печат, металните 3D отпечатани части ще продължат да се развиват към пазара на крайния потребител.