Việc hỗ trợ các cấu trúc phức tạp thông qua in 3D kim loại có khó không?

一, Nhu cầu hỗ trợ: con dao hai lưỡi trong ngành in ấn với cấu trúc phức tạp
Trong in 3D kim loại, cấu trúc hỗ trợ phục vụ nhiều mục đích:
Hỗ trợ cơ học: để giữ cho các cấu trúc treo không bị rơi hoặc thay đổi hình dạng trong khi chúng đang được in do trọng lực hoặc nhiệt. Ví dụ, nếu cánh động cơ máy bay không có giá đỡ, các bức tường mỏng của chúng có thể bị uốn cong trong giai đoạn đông đặc của bể tan chảy.
Quản lý nhiệt: Di chuyển nhiệt thông qua các cấu trúc hỗ trợ để giữ cho sự chênh lệch nhiệt độ cục bộ không trở nên quá lớn và giữ cho ứng suất dư không tích tụ. Ví dụ: khi in các bộ phận cấy ghép bằng hợp kim titan, bộ phận hỗ trợ có thể ngăn hình thành các vết nứt nhỏ khi vật liệu nguội quá nhanh.
Tính ổn định của quy trình: Trong công nghệ nấu chảy bột giường, khung đỡ giữ các bộ phận ở đúng vị trí để chúng không bị dịch chuyển khi bột chảy hoặc khi máy cạo chạm vào chúng.
Nhưng cũng có những vấn đề lớn khi có các cấu trúc hỗ trợ:
Lãng phí vật liệu: Lượng vật liệu hỗ trợ có thể chiếm tới 30% đến 50% trọng lượng tổng thể của các bộ phận và rất khó để tái chế hết.
Chi phí-xử lý hậu kỳ: Việc loại bỏ hỗ trợ bằng máy tốn rất nhiều công sức và có thể làm hỏng bề mặt của các chi tiết. Ví dụ, các thiết bị cấy ghép y tế cần được đánh bóng nhiều hơn sau khi chúng được lắp đặt để đáp ứng các tiêu chuẩn về tương thích sinh học.
Hạn chế trong thiết kế: Các hệ thống hỗ trợ truyền thống cần góc treo lớn hơn 45 độ, điều này gây khó khăn cho việc sử dụng các thiết kế mới như các kênh dòng chảy bên trong phức tạp và cấu trúc mạng tinh thể.
2, Thử thách kỹ thuật: Kiểm tra đồng thời đặc tính của vật liệu và độ phức tạp của kết cấu
1. Sự khác biệt về đặc tính của vật liệu khiến việc hỗ trợ khó khăn hơn
Chất lượng vật lý và hóa học của các vật liệu kim loại khác nhau ảnh hưởng lớn đến quá trình hỗ trợ:
Hợp kim titan hoạt động rất mạnh và dễ dàng phản ứng với oxy và nitơ để tạo thành một lớp cứng, giòn. Nó cần được bảo vệ khỏi khí trơ khi không sử dụng. Ví dụ: khi hỗ trợ các bộ phận in Ti6Al4V, lượng oxy phải được giữ ở mức dưới 50ppm, nếu không chúng có thể tự bốc cháy.
Thép không gỉ có khả năng chống gỉ rất cao và có thể được làm sạch bằng hóa chất hoặc tia nước áp suất cao. Khi ngâm lưỡi dao inox 316L trong dung dịch tẩy rửa có tính kiềm và sử dụng phương pháp làm sạch bằng sóng siêu âm, bạn có thể loại bỏ được 99,5% lượng bột.
Hợp kim nhôm có điểm nóng chảy thấp và có khả năng thay đổi hình dạng khi được làm sạch bằng các phương pháp làm sạch rung thông thường. Để loại bỏ lớp hỗ trợ khỏi bản in AlSi10Mg, bạn cần sử dụng công nghệ phun tuyết CO₂, hoạt động bằng cách tác động vào các hạt rắn ở nhiệt độ thấp -78,5 độ mà không gây ra sự tập trung ứng suất nhiệt.
2. Làm cho các cấu trúc trở nên phức tạp hơn để khiến mọi việc trở nên khó khăn hơn
Kiến trúc phức tạp đòi hỏi nhu cầu cao đối với các quy trình không được hỗ trợ:
Cấu trúc xốp: Lớp xốp trong cấy ghép chỉnh hình thường dày dưới 3 mm và lượng bột còn sót lại phải nhỏ hơn 0,1 mg/cm2. Một công ty y tế nào đó sử dụng công nghệ hấp phụ chân không và thiết bị xoay 360 độ để đạt được tỷ lệ thu hồi bột là 98,7%.
Cấu trúc-thành mỏng: Nếu độ dày thành của cánh động cơ hàng không nhỏ hơn hoặc bằng 1 mm thì nó cần có bộ điều chỉnh ứng suất cơ học để giữ nguyên vị trí. GE áp dụng phương pháp loại bỏ bột ở nhiệt độ-thấp (làm mát bằng nitơ lỏng ở -196 độ ) cùng với xử lý lão hóa để giảm ứng suất dư xuống dưới 50MPa và ngăn hình thành các vết nứt.
Cấu trúc của khoang bên trong: Để tháo phần đỡ khoang bên trong của đĩa tuabin, cần phải chế tạo các dụng cụ đặc biệt. Model đĩa tuabin đặc biệt có trục lõi rời, sử dụng lực ly tâm để đẩy bột ra ngoài và luồng khí tầng (0,5m/s) thổi dọc theo bề mặt, đáp ứng tiêu chuẩn về độ sạch cho khoang bên trong.
3, Ý tưởng mới: Từ cải tiến quy trình đến thiết kế thông minh
1. Công nghệ in không giám sát vượt qua các giới hạn của in ấn truyền thống.
Một số cấu trúc phức tạp có thể in mà không cần hỗ trợ bằng cách điều chỉnh đường in và đặc tính của bột:
Tạo hình góc nhỏ không được hỗ trợ: Thiết bị LiM-X260A do Leiming Laser sản xuất có thể in các thành phần hợp kim titan lơ lửng từ 5 độ đến 35 độ bằng cách tối ưu hóa mật độ năng lượng laser và phương pháp quét. Các bộ phận có mật độ 99,9%.
Lập kế hoạch đường đi thông minh: Nhóm chiến thuật tại Học viện Công nghệ Xe phóng Trung Quốc đã thay đổi phân bổ kích thước hạt bột (D{0}} μ m) và tốc độ quét laze (800mm/s). Họ cũng sử dụng mô phỏng phân bố ứng suất để có thể in các cấu trúc cabin tên lửa phức tạp mà không cần hỗ trợ. Độ chính xác bề mặt đạt đến mức milimet và nhu cầu-xử lý hậu kỳ đã giảm 60%.
2. Cấu trúc hỗ trợ được cải tiến giúp cất cánh dễ dàng hơn.
Chất hỗ trợ có thể hòa tan: Đại học bang Arizona đã nghĩ ra cách loại bỏ chất hỗ trợ điện hóa bằng cách in các chất hỗ trợ bằng thép carbon lên các bộ phận bằng thép không gỉ và sử dụng dung dịch axit nitric để ăn mòn có chọn lọc thép carbon. Tấm đỡ dày 7mm có thể được tháo ra hoàn toàn trong vòng chưa đầy 6 giờ mà không làm tổn thương bề mặt của các chi tiết.
Thiết kế điểm gãy: Thêm các điểm gãy hình đồng hồ cát-vào cấu trúc đỡ và sử dụng-các vị trí tập trung ứng suất được đặt trước để điều chỉnh vết nứt. Ví dụ: một bộ phận của ô tô có phần đỡ hình răng-có thể dễ dàng tháo ra chỉ với một lực nhỏ. Thiệt hại trên bề mặt sâu dưới 0,05mm.
3. Tối ưu hóa mô phỏng làm cho việc hỗ trợ trở nên ít cần thiết hơn.
Các công cụ mô phỏng quy trình, như VoxelDance Engineering, có thể tìm ra mức độ phân tán ứng suất nhiệt trong quá trình in và cải thiện cấu hình hỗ trợ. Ví dụ: mô hình cánh quạt kín cắt giảm 60% lượng hỗ trợ cần thiết thông qua mô phỏng, giảm thời gian in xuống còn 50 giờ và giảm thiểu nguy cơ va chạm với dao cạo.