L'addició i eliminació de suports ha estat durant molt de temps un repte durant la fabricació additiva metàl·lica (AM). Prenent com a exemple la sinterització làser metàl·lica directa (DMLS), el model s'ha de configurar prèviament amb estructures de suport abans d'imprimir per evitar la deformació causada per l'estrès tèrmic i conduir la calor lluny de la piscina fosa. Aquests suports formen part del disseny i la fabricació en conjunt. Després de la construcció, l'estructura de suport va ser desmuntada i rebutjada. Sense suports, és difícil imprimir estructures en voladís per sota d'un cert angle d'inclinació (generalment al voltant de 45 graus), cosa que sovint limita les opcions per als usuaris de sistemes d'impressió 3D metàl·lics, i també porta molts equips OEM i empreses de programari de fabricació additiva. un gran repte.
Per resoldre els problemes anteriors, els experts de l'empresa EOS Additive Minds han desenvolupat ara diverses tècniques d'optimització de processos per produir peces impreses en 3D sense estructures de suport, com ara anells d'estator, carcasses, bombes turbo, dipòsits d'oli, intercanviadors de calor, vàlvules i impulsors, dels quals l'impulsor tancat és un dels casos més típics. Mitjançant un programari de disseny optimitzat i paquets de paràmetres, EOS permet als usuaris imprimir voladís i ponts en angles més baixos (de vegades fins i tot zero), que requereixen molts menys o cap suport.
La fabricació additiva no compatible també estalvia molt de temps en l'etapa de postprocessament, ja que no cal eliminar suports addicionals. En el cas de la retirada manual, això també allibera temps i energia dels empleats per a altres treballs. La fabricació de peces sense estructura de suport també redueix els residus de material, ja que no es llença res i són necessaris tots els aspectes del disseny de la peça i del suport. No obstant això, aquest no és un procés fàcil i els experts en disseny de programari i els fabricants porten anys treballant en el repte del disseny no compatible.
En aquest article, es mostra principalment com els experts d'EOS utilitzen el mètode no compatible per construir l'impulsor. Els impulsors tancats o envoltats s'utilitzen en moltes indústries i varien àmpliament en mida, forma, material i requisits de rendiment. Els impulsors tancats sovint estan exposats a condicions extremes, com ara altes velocitats de rotació, mitjans altament corrosius i càrregues mecàniques causades per temperatures extremes. Per exemple, aplicacions de turbobomba en coets espacials, sistemes de compressió en microturbines i bombes d'aigua de mar en aplicacions de petroli i gas.
Admet els requisits de disseny en la impressió 3D de metall tradicional
El disseny de peces impreses en 3D amb suports ha estat un enfocament estàndard per a la fabricació additiva (AM). El nombre, la mida i la ubicació dels suports estan determinats per una sèrie de factors:
Les tensions residuals durant la impressió poden provocar deformacions del model 3D. Es poden afegir suports per evitar físicament aquesta deformació;
La interrupció del recobridor que afecta la construcció intermèdia de la peça pot fer vibrar la peça o causar danys, donant lloc a un treball sense èxit. Els suports s'utilitzen per protegir les peces de qualsevol influència del recoater;
La transferència de calor a través dels suports permet que les peces es refredin i es formin més ràpid i amb més èxit durant el procés de construcció.
Per garantir que una impressora 3D construeixi i produeixi peces amb èxit, s'han de tenir en compte diverses raons que afecten el disseny de suport, com ara:
L'orientació de la peça determina quina part de la peça s'ha de suportar. Normalment, si les peces estan orientades de manera que no hi hagi una superfície més gran a la placa de construcció, es requereix més suport per compensar els factors anteriors.
Generalment es considera que els voladissos de 45 graus o menys requereixen estructures de suport.
Els canals i els forats poden deformar-se sense suport, depenent de la seva mida i de si estan orientats de manera ineficaç.
Disseny de maquetes
Armat amb l'experiència adequada i les habilitats creatives de resolució de problemes, l'equip d'EOS ha desenvolupat amb èxit noves maneres de dissenyar i construir models, trencant la noció preconcebuda de "les baixades baixes han d'afegir suport", amb resultats excel·lents. L'impulsor utilitzat en aquest article per demostrar l'estructura no suportada i les capacitats del procés DMLS va ser dissenyat per EOS Additive Minds amb un diàmetre de 150 mm amb 12 pales amb angles de volada fins a 10 graus.
Direcció d'inclinació dels membres i estructura de suport
Els impulsors solen imprimir-se en una orientació inclinada per evitar suports interns ja que són difícils d'eliminar. No obstant això, aquesta orientació normalment es tradueix en temps de construcció més llargs, qualitat superficial desigual i la rodonesa de la peça es ressent. L'orientació plana ofereix diversos avantatges, com ara temps de construcció més curts, millor rodonesa i precisió i una qualitat superficial més uniforme a tota la peça. Tanmateix, els voladissos baixos solen requerir molt suport. Per al procés DMLS actual, s'han de suportar voladissos més grans de menys de 35 graus. Es necessiten suports per dissipar la calor de la piscina fosa per compensar les forces de recobriment i la tensió interna de la part.
Optimització del disseny no compatible
EOS redueix significativament la necessitat d'afegir suport intern aprofitant tècniques avançades de disseny de models. L'optimització del disseny del procés de fabricació additiva és també un altre aspecte important relacionat amb l'èxit de la impressió. Tot i que el suport intern es pot evitar principalment mitjançant l'ús d'estratègies d'exposició ajustades, sovint encara es requereixen estructures de suport externes.
En el cas de l'impulsor d'aquest article, en comptes d'utilitzar farciment sòlid, la part inferior de la peça es va modificar utilitzant arcs autoportants i parets primes per garantir una connexió sòlida de la plataforma i evitar la deformació durant la construcció. Això permet l'ús de menys material que els stents convencionals alhora que ofereix una gran resistència i una mecanització millorada. El diàmetre exterior de l'impulsor està tancat per proporcionar una major rigidesa a la peça quan es construeix i per evitar la pèrdua de precisió geomètrica a la vora de sortida. Per a aquest impulsor, un disseny avançat permet una reducció de material del 15 per cent, alhora que està optimitzat per a la màquina i és autoportant, sense suport intern.
Optimització de processos
L'impulsor es construeix mitjançant l'anomenat mètode DownSkin d'alta energia (el tipus d'exposició que s'utilitza per construir superfícies pendents). Essencialment, aquest mètode augmenta l'entrada de densitat d'energia de l'exposició a DownSkin augmentant la potència del làser mentre s'ajusten altres paràmetres de DownSkin. Això produeix una piscina de fusió més gran però més estable, especialment quan es construeixen voladissos sobre pols soltes. Aquest mètode s'ha utilitzat amb èxit per a molts materials utilitzats sovint per fabricar impulsors (per exemple, Ti64, 316L, AlSi10Mg, In718, etc.).
Per tant, es pot assegurar que tots els angles crítics es poden beneficiar d'aquest paràmetre optimitzat. A diferència d'altres tecnologies no compatibles, l'enfocament DownSkin d'alta energia no sacrifica la velocitat de construcció i, per tant, el cas empresarial per evitar el suport.
En absència de contramesures, el mètode DownSkin d'alta energia pot donar lloc a peces sobredimensionades en la direcció z a la regió de DownSkin a causa de la piscina de soldadura profunda. Les peces es poden ajustar a la mida adequada mitjançant un postprocessament o ajustant el disseny. DownSkin també és relativament rugós, però la rugositat és uniforme, cosa que ajuda amb tècniques d'acabat de superfícies a granel, com ara el mecanitzat amb flux abrasiu. Tampoc hi ha gairebé cap porositat (vegeu la imatge a continuació), la porositat es limita a DownSkin. Per tant, les propietats mecàniques generals no es veuen afectades i encara podeu confiar en el procés InFill d'alta qualitat desenvolupat per EOS. Per tant, tampoc es requereix un procés secundari com el premsat isostàtic en calent per obtenir propietats mecàniques suficients.
Postprocessament (mecanitzat amb flux abrasiu, metalls AM)
El mecanitzat amb flux abrasiu és una tècnica d'acabat de superfícies comuna utilitzada per a aplicacions relacionades amb el flux i geometries internes. El mitjà abrasiu s'empeny a través de la part subjecta a l'aparell. Les partícules abrasives dels mitjans triten i polien la superfície al llarg del camí del flux. Com a preparació per a l'acabat de la superfície interior, el diàmetre exterior tancat s'ha de mecanitzar en un obert, diàmetre i alçada de la peça ajustats a l'aparell per al procés AFM. Després del premecanitzat, la peça es subjecta i el material abrasiu s'empeny a través de la peça amb l'ajuda de la pinça. Després del procés AFM, l'impulsor es mecanitza a la mida final.
La peça final tractada amb mecanitzat amb flux abrasiu (AFM)
Amb l'avenç continu de la tecnologia d'impressió 3D, les peces metàl·liques impreses en 3D continuaran desenvolupant-se cap al mercat del consumidor final.