Zašto se metalna potporna struktura za 3D štampanje mora ukloniti?

1. Glavni posao nosećih struktura i kako su se mijenjale tokom vremena
Fizičke barijere za kontrolu termodinamike
Tokom procesa metalne 3D štampe, laserski ili elektronski snopovi stvaraju veoma visoke temperature (iznad 2000 stepeni) na malim mestima, zbog čega se materijal veoma brzo menja iz tečnog u čvrst. Noseća konstrukcija ima dvije svrhe u ovom procesu. Prvo, kao medij za toplinsku provodljivost, brzo prenosi toplinu iz suspendiranog područja na podlogu, što sprječava nakupljanje zaostalog naprezanja zbog lokalnog pregrijavanja. Drugo, ograničavanjem protoka metala, sprečava rastopljeni bazen da se uruši zbog gravitacije. Na primjer, dok se štampa radno kolo od legure titanijuma, potporna struktura može smanjiti termički stres za 60% kada je ugao ovjesa manji od 45 stupnjeva. Ovo smanjuje stopu deformacije dijelova sa 32% na manje od 5%.
Neizbežni ishod iteracije procesa
Ranim metalnim mašinama za 3D štampanje bilo je potrebno mnogo potpornih struktura jer nisu mogle dobro upravljati gustinom energije. Moderni SLM uređaji mogu pružiti "prilagodljivu podršku" dinamičkim modificiranjem gustine snage lasera zahvaljujući razvoju multi-tehnologija za modeliranje spajanja. Leiming Laserov LiM-X260A uređaj je, na primjer, uspješno štampao viseće strukture bez ikakve podrške pod malim uglovima od 5 stepeni -35 stepeni korišćenjem optimizovanih algoritama skeniranja. Ovo je smanjilo količinu potrebnog pomoćnog materijala za 78%. Ali ova tehnologija je i dalje korisna samo za određene vrste materijala i oblika.
2. Fatalni nedostaci i dalje prisutni u nosećoj konstrukciji
Neviđene ubice materijalnih svojstava
Interfejs materijala potporne konstrukcije i kućišta štampanja veoma se razlikuju jedno od drugog u smislu načina na koji su organizovani. Kada štampate nerđajućim čelikom 316L, na spoju između nosača rešetke i čvrste mase mogu se formirati grubi stubasti kristali. Ovo čini područje 15% do 20% mekšim i 40% manje izdržljivim. Efekat "male anode velike katode" potpornih ostataka može proizvesti elektrohemijsku koroziju, što je vrlo loše za važne dijelove poput turbinskih diskova u motorima aviona jer ubrzava stopu korozije za 3 do 5 puta.
Štetni efekti na preciznost oblika
Kontaktna tačka između noseće konstrukcije i površine komponente će stvoriti prelazni sloj debljine 0,1 do 0,3 mm. Ovaj sloj će vjerovatno imati površinske nedostatke kada se mehanički ukloni. Na primjer, mlaznica za gorivo iz GE Aviation ima unutrašnji kanal za protok koji je samo 2 mm u prečniku. Ako postoji zaostali oslonac, dio kanala protoka može se saviti za više od 8%, što direktno utiče na efekat atomizacije goriva. Čak i sa najsavremenijim-tehnikama kao što je elektrohemijsko otapanje, lokalizovana korozija na nivou od 0,05 mm se i dalje može desiti ako gustina struje nije ravnomerno raspoređena.
Slaba tačka kontrole troškova
Troškovi materijala koji se koriste za izradu noseće konstrukcije čine otprilike 12% do 18% ukupne cijene metalne 3D štampe. Cijena visokotemperaturnih legura-na bazi nikla{{5}više je od 2000 USD po kilogramu, a bacanje dodatnih materijala je previše posla. Troškovi rada u fazi naknadne-obrade su mnogo više zabrinjavajući jer mogu biti i do 25% do 30%. U automatiziranoj proizvodnoj liniji BMW IDAM, ljudi i dalje moraju pomoći u procesu uklanjanja, što je postalo glavno usko grlo koje sprečava da kompletan proces postane automatiziran.
3. Proboji i problemi sa tehnologijom koja pomaže pri uklanjanju
Revolucija u preciznom mehaničkom uklanjanju
Postoje dva glavna problema s tradicionalnim mehaničkim procesima kao što su rezanje žice i glodanje: prvo, teško je doći do njih zbog složenih unutrašnjih struktura šupljina, i drugo, teško ih je kontrolisati na mikrometarskom nivou. NetShape robotski sistem iz Rivelin Robotics može regulisati kontaktnu silu do 0,1N koristeći algoritam kontrole povratne sprege. Kada se koristi sa 3D vizuelnim sistemom pozicioniranja, može automatski pronaći i ukloniti ostatke potpore, što čini površinu glatkijom (od Ra6,3 μm do Ra1,6 μm) i ubrzava obradu za 10 puta.
Selektivni proboj u hemijskom jetkanju
Elektrohemijski podržana tehnologija uklanjanja koju je razvio Arizona State University postiže selektivno otapanje kroz stvaranje diferencijalnog potencijalnog polja. U sistemu od nerđajućeg čelika/ugljičnog čelika 304, kombinacija 41 tež% otopine dušične kiseline i kisika može u potpunosti ukloniti potporu od ugljičnog čelika debljine 7 mm za 6 sati. Takođe održava stopu korozije podloge od nerđajućeg čelika ispod 0,002 mm/h. Ova tehnologija je korištena za izradu medicinskih implantata, skraćujući vrijeme potrebno za uklanjanje potpore sa 48 sati na 8 sati.
Korištenje pametnih algoritama za predviđanje kako poboljšati stvari
Belgijski startup Materialize proizvodi softver pod nazivom Magics koji može koristiti modele mašinskog učenja za automatsku izgradnju najboljih struktura podrške. Sistem uči iz 100.000 skupova procesnih podataka i može predvidjeti kako će se toplinski stres širiti na različite oblike. Također može samostalno promijeniti gustinu potpore i kontaktnu površinu. Prilikom štampanja određenog dijela konstrukcije aviona, optimizirana potpora je smanjila upotrebu materijala za 42% i vrijeme naknadne-obrade za 65%.