Hỗ trợ hòa tan có khả thi trong in 3D kim loại không?

1. Nguyên lý kỹ thuật: Cực dương hy sinh cho đột phá điện hóa
Phương pháp bảo vệ cực dương hy sinh, sử dụng sự chênh lệch điện thế giữa hai kim loại trong chất điện phân để gây ra sự ăn mòn chọn lọc, là cơ sở cho công nghệ hỗ trợ hòa tan. Trong in 3D kim loại, kỹ thuật này được sử dụng theo cách mới để tách phần thân khỏi cấu trúc hỗ trợ:
Chọn vật liệu phù hợp: Sử dụng kim loại không rỉ sét (như thép không gỉ) cho các bộ phận và kim loại dễ rỉ sét (chẳng hạn như thép-cacbon thấp) cho các giá đỡ. Ví dụ, nhóm Đại học bang Arizona đã sử dụng hỗn hợp thép không gỉ AISI 431 (cho các bộ phận) và thép cacbon thấp Metco 91 (cho các bộ phận hỗ trợ) để làm cho các bộ phận hỗ trợ hòa tan trong axit nitric mà không làm tổn thương bề mặt của các bộ phận.
Tăng tốc-điện hóa: Chỉ sử dụng axit nitric khiến quá trình ăn mòn diễn ra chậm hơn (nó chỉ hòa tan 1,4mm thép cacbon trong 10 giờ), nhưng việc thêm bọt oxy khiến quá trình ăn mòn diễn ra nhanh hơn 6 lần. Oxy phá vỡ lớp thụ động trên bề mặt thép carbon, tăng tốc độ phát triển của dòng ăn mòn và hòa tan hoàn toàn 7mm thép carbon cuối cùng trong 6 giờ.
Kiểm soát có chọn lọc: Đối với vật liệu hỗ trợ, chất điện phân phải có độ chọn lọc hòa tan trên 100:1. Ví dụ, axit nitric ăn mòn thép carbon nhanh hơn 1000 lần so với thép không gỉ, điều đó có nghĩa là phần thân của bộ phận không bị tổn hại.
2. Khả năng tương thích của vật liệu: Hạn chế và biện pháp khắc phục luyện kim
Để sử dụng chất hỗ trợ hòa tan trong công nghiệp, cần giải quyết hai vấn đề lớn trong khoa học vật liệu:
Khả năng tương thích luyện kim: Cả vật liệu hỗ trợ và vật liệu thành phần phải đáp ứng các điều kiện sau:
Sự tương tự về cấu trúc tinh thể: để ngăn chặn hiện tượng nứt ứng suất bề mặt có thể xảy ra khi hệ số giãn nở nhiệt khác nhau. Ví dụ: thép cacbon-thấp và thép không gỉ đều có cấu trúc hình khối lập phương tâm-và chênh lệch hệ số giãn nở nhiệt dưới 10%. Điều này có nghĩa là chúng có thể xử lý những thay đổi nhiệt độ cao trong quá trình in 3D kim loại.
Tránh xa các hợp chất liên kim loại: Một số sự kết hợp của vật liệu, chẳng hạn như hợp kim titan và nhôm, có nhiều khả năng trở nên giòn ở nhiệt độ cao. Để tránh điều này, bạn cần điều chỉnh các tham số của quy trình hoặc xây dựng một lớp trung gian.
Mở rộng hệ thống vật liệu: Nghiên cứu hiện tại đã chỉ ra rằng hệ thống thép cacbon{0}}thép không gỉ là có thể thực hiện được và cần phải thực hiện các kết hợp vật liệu tiếp theo trong tương lai.
Hợp kim-nhiệt độ cao: Inconel 718 và một số vật liệu cực dương hy sinh có thể được sử dụng cùng nhau để chế tạo các bộ phận đầu nóng cho động cơ máy bay.
Hợp kim titan: Bằng cách tinh chỉnh-công thức chất điện phân, Ti6Al4V và chất hỗ trợ hòa tan có thể hoạt động cùng nhau.
Kim loại chịu lửa: Để loại bỏ sự hỗ trợ khỏi các kim loại có nhiệt độ-nóng chảy{1}}cao như vonfram và tantalum, chúng ta cần tạo ra các hệ thống điện hóa hoạt động ở nhiệt độ cao.
3, Tối ưu hóa quy trình: chuyển từ phòng thí nghiệm sang dây chuyền sản xuất
Để công nghiệp hóa công nghệ hỗ trợ hòa tan, cần phải khắc phục ba điểm nghẽn quy trình quan trọng:
Nâng cao hiệu quả chống ăn mòn: Công nghệ xung điện hóa: Giúp loại bỏ các sản phẩm ăn mòn và ngăn chặn hình thành các lớp thụ động bằng cách bật tắt dòng điện. Ví dụ, điện áp xung có thể làm cho thép cacbon bị ăn mòn nhanh gấp ba lần.
Trợ giúp siêu âm: Thêm sóng siêu âm vào chất điện phân sẽ tăng tốc độ truyền khối bằng cách tạo ra bọt khí, giúp giảm hơn 50% thời gian ăn mòn.
Kiểm soát chất lượng bề mặt:
Hệ thống tuần hoàn chất điện phân: Bơm chất điện phân tuần hoàn giúp độ nhám bề mặt không trở nên tồi tệ hơn bằng cách ngăn chặn sự chênh lệch nồng độ cục bộ. Ví dụ, bể phun ăn mòn có thể làm cho bề mặt của các chi tiết bớt gồ ghề hơn, từ Ra10 μm đến Ra2 μm.
Đánh bóng sau khi xử lý: Ăn mòn điện hóa, cùng với các phương pháp-không tiếp xúc như đánh bóng từ lưu biến, có thể làm cho bề mặt mịn như gương (Ra<0.1 μ m).
Tích hợp tự động:
Hệ thống tìm kiếm nội dung trực tuyến: CT công nghiệp cho phép giám sát-các chất cặn hỗ trợ theo thời gian thực và điều chỉnh động các thông số ăn mòn. Ví dụ: hệ thống Smart Clean của GE Additive có thể tự động tìm các điểm hỗ trợ và cải thiện việc phân bổ mật độ dòng điện.
Điều khiển vòng kín: Sử dụng các phương pháp học máy để phát triển mô hình dự đoán tốc độ ăn mòn để các thông số quy trình có thể được thay đổi tự động. Sau khi một công ty máy bay sử dụng kỹ thuật này, tỷ lệ loại bỏ hỗ trợ đã tăng từ 70% lên 99%.
4. Triển vọng ứng dụng công nghiệp: từ kết cấu phức tạp đến sản xuất hàng loạt
Trong-sản xuất thực tế, công nghệ hỗ trợ hòa tan đã tỏ ra khá hữu ích:
Trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, GE Aviation sử dụng công nghệ in hỗ trợ hòa tan để chế tạo buồng đốt Inconel 718. Điều này giúp giảm thời gian tháo dỡ vật đỡ từ 40 giờ xuống còn 8 giờ và không có dấu hiệu hư hỏng cơ học trên bề mặt.
Một nhà sản xuất vệ tinh đã in thành công bộ trao đổi nhiệt với 2000 vi kênh sử dụng công nghệ hỗ trợ hòa tan. Các kênh chỉ rộng 0,5mm và tỷ lệ cặn bột nhỏ hơn 0,1%.
Cấy ghép y tế: Khớp hông được cá nhân hóa: Johnson&Johnson Medical sử dụng chất hỗ trợ hòa tan để in khớp hông Ti6Al4V với độ nhám bề mặt Ra0,8 μ m. Điều này đáp ứng các tiêu chuẩn cấy ghép chỉnh hình và tránh những khó khăn khi làm cứng bề mặt có thể xảy ra với gia công truyền thống.
Cấy ghép nha khoa: Một công ty nha khoa đã cắt giảm thời gian in cấy ghép từ ba ngày xuống còn một ngày bằng công nghệ hỗ trợ hòa tan. Điều này đã giảm giá 40%.
Làm khuôn: Khuôn làm mát linh hoạt được chế tạo bằng cách kết hợp thép khuôn (như H13) với chất hỗ trợ hòa tan. Điều này cho phép bạn in các kênh làm mát phức tạp. Khi kỹ thuật này được sử dụng tại một nhà máy sản xuất khuôn ô tô, hiệu suất làm mát của khuôn tăng 30% và thời gian tạo khuôn giảm 25%.