Việc bổ sung và loại bỏ các giá đỡ từ lâu đã là một thách thức trong quá trình sản xuất phụ gia kim loại (AM). Lấy ví dụ về thiêu kết laser kim loại trực tiếp (DMLS), mô hình cần được thiết lập sẵn các cấu trúc hỗ trợ trước khi in để tránh biến dạng do ứng suất nhiệt và dẫn nhiệt ra khỏi vùng nóng chảy. Những giá đỡ này là một phần của thiết kế và sản xuất nói chung. Sau khi xây dựng, cấu trúc hỗ trợ đã được tháo dỡ và loại bỏ. Nếu không có giá đỡ, rất khó để in các cấu trúc đúc hẫng dưới một góc nghiêng nhất định (thường là khoảng 45 độ), điều này thường hạn chế các tùy chọn cho người sử dụng hệ thống in 3D kim loại, đồng thời mang lại nhiều thiết bị OEM và công ty phần mềm sản xuất phụ gia. một thách thức lớn.
Để giải quyết các vấn đề trên, các chuyên gia từ công ty EOS Additive Minds hiện đã phát triển các kỹ thuật tối ưu hóa quy trình khác nhau để sản xuất các bộ phận in 3D mà không có cấu trúc hỗ trợ, chẳng hạn như vòng stato, vỏ, bơm turbo, thùng chứa dầu, bộ trao đổi nhiệt, van và cánh quạt, trong đó cánh quạt đóng là một trong những trường hợp điển hình hơn. Thông qua phần mềm thiết kế được tối ưu hóa và các gói thông số, EOS cho phép người dùng in công xôn và cầu ở các góc thấp hơn (đôi khi thậm chí bằng không), yêu cầu ít hơn hoặc không có hỗ trợ.
Sản xuất phụ gia không được hỗ trợ cũng giúp tiết kiệm rất nhiều thời gian trong giai đoạn xử lý sau, vì không cần loại bỏ các hỗ trợ bổ sung. Trong trường hợp loại bỏ thủ công, điều này cũng giải phóng thời gian và sức lực của nhân viên cho công việc khác. Sản xuất các bộ phận không có cấu trúc hỗ trợ cũng giảm lãng phí vật liệu, vì không có gì bị vứt bỏ và tất cả các khía cạnh của bộ phận và thiết kế hỗ trợ là cần thiết. Tuy nhiên, đây không phải là một quá trình dễ dàng và các chuyên gia thiết kế phần mềm và nhà sản xuất đã làm việc với thách thức của thiết kế không được hỗ trợ trong nhiều năm.
Trong bài viết này, chủ yếu chỉ ra cách các chuyên gia tại EOS sử dụng phương pháp không được hỗ trợ để tạo cánh quạt. Cánh quạt được bọc kín hoặc bọc ngoài được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp và chúng rất khác nhau về kích thước, hình dạng, vật liệu và các yêu cầu về hiệu suất. Các cánh quạt đi kèm thường tiếp xúc với các điều kiện khắc nghiệt như tốc độ quay cao, phương tiện ăn mòn cao và tải trọng cơ học do nhiệt độ khắc nghiệt gây ra. Ví dụ, ứng dụng phản lực cánh quạt trong tên lửa không gian, hệ thống nén trong tuabin vi mô và máy bơm nước biển trong các ứng dụng dầu khí.
Hỗ trợ các yêu cầu thiết kế trong in 3D kim loại truyền thống
Thiết kế các bộ phận in 3D với giá đỡ là một cách tiếp cận tiêu chuẩn để sản xuất phụ gia (AM). Số lượng, kích thước và vị trí của giá đỡ được xác định bởi một số yếu tố:
Ứng suất dư trong quá trình in có thể gây ra sự biến dạng của mô hình 3D. Hỗ trợ có thể được thêm vào để ngăn chặn sự biến dạng này về mặt vật lý;
Sự gián đoạn của bộ cải tạo ảnh hưởng đến kết cấu trung gian của bộ phận có thể làm rung bộ phận hoặc gây hư hỏng, dẫn đến công việc không thành công. Giá đỡ được sử dụng để bảo vệ các bộ phận khỏi bất kỳ ảnh hưởng nào của bộ chỉnh sửa;
Truyền nhiệt qua các giá đỡ cho phép các bộ phận nguội và hình thành nhanh hơn và thành công hơn trong quá trình chế tạo.
Để đảm bảo máy in 3D xây dựng và sản xuất thành công các bộ phận, cần phải xem xét nhiều lý do ảnh hưởng đến thiết kế hỗ trợ, bao gồm:
Định hướng bộ phận xác định lượng bộ phận cần được hỗ trợ. Thông thường, nếu các bộ phận được định hướng để diện tích bề mặt lớn hơn không nằm trên tấm xây dựng, thì cần phải có nhiều hỗ trợ hơn để bù đắp cho các yếu tố trên.
Phần nhô ra từ 45 độ trở xuống thường được coi là yêu cầu cấu trúc hỗ trợ.
Các kênh và lỗ có thể biến dạng mà không có sự hỗ trợ, tùy thuộc vào kích thước của chúng và liệu chúng có được định hướng không hiệu quả hay không.
Thiết kế mô hình
Được trang bị kiến thức chuyên môn phù hợp và kỹ năng giải quyết vấn đề sáng tạo, nhóm tại EOS đã phát triển thành công các cách mới để thiết kế và xây dựng mô hình, phá bỏ định kiến "độ sâu thấp phải thêm hỗ trợ", với kết quả xuất sắc. Cánh quạt được sử dụng trong bài viết này để chứng minh cấu trúc không được hỗ trợ và các khả năng của quy trình DMLS được EOS Additive Minds thiết kế với đường kính 150 mm với 12 cánh có góc nhô ra dưới 10 độ.
Hướng thành viên và cấu trúc hỗ trợ
Cánh quạt thường được in theo hướng nghiêng để tránh các giá đỡ bên trong vì chúng khó tháo ra. Tuy nhiên, định hướng này thường dẫn đến thời gian xây dựng lâu hơn, chất lượng bề mặt không đồng đều và độ tròn của bộ phận bị ảnh hưởng. Hướng phẳng cung cấp một số lợi thế, chẳng hạn như thời gian chế tạo ngắn hơn, độ tròn và độ chính xác tốt hơn, đồng thời chất lượng bề mặt đồng đều hơn trên các bộ phận. Tuy nhiên, phần nhô ra thấp thường cần nhiều hỗ trợ. Đối với quy trình DMLS hiện tại, cần hỗ trợ phần nhô ra lớn hơn dưới 35 độ. Cần có các thiết bị hỗ trợ để tản nhiệt từ bể nóng chảy để bù lại lực phục hồi và ứng suất bộ phận bên trong.
Tối ưu hóa thiết kế không được hỗ trợ
EOS giảm đáng kể nhu cầu bổ sung hỗ trợ nội bộ bằng cách tận dụng các kỹ thuật thiết kế mô hình nâng cao. Việc tối ưu hóa thiết kế của quá trình sản xuất phụ gia cũng là một khía cạnh quan trọng khác có liên quan đến sự thành công của in ấn. Trong khi hỗ trợ nội bộ có thể tránh được chủ yếu thông qua việc sử dụng các chiến lược tiếp xúc đã điều chỉnh, các cấu trúc hỗ trợ bên ngoài vẫn thường được yêu cầu.
Trong trường hợp cánh quạt của bài viết này, thay vì sử dụng khối đệm đặc, phần dưới cùng của bộ phận đã được sửa đổi bằng cách sử dụng vòm tự chống đỡ và các bức tường mỏng để đảm bảo kết nối nền tảng chắc chắn và ngăn ngừa biến dạng trong quá trình xây dựng. Điều này cho phép sử dụng ít vật liệu hơn so với stent thông thường, đồng thời mang lại độ bền cao và khả năng gia công được cải thiện. Đường kính ngoài của bánh công tác được đóng lại để cung cấp độ cứng lớn hơn cho bộ phận khi được chế tạo và để tránh mất độ chính xác hình học ở mép đầu ra. Đối với cánh quạt này, thiết kế tiên tiến cho phép giảm 15% vật liệu, đồng thời được tối ưu hóa bằng máy và tự hỗ trợ, không có hỗ trợ bên trong.
Tối ưu hóa quá trình
Cánh quạt được chế tạo bằng phương pháp gọi là phương pháp DownSkin năng lượng cao (loại tiếp xúc được sử dụng để xây dựng các bề mặt nhô ra). Về cơ bản, phương pháp này làm tăng mật độ năng lượng đầu vào của phơi sáng DownSkin bằng cách tăng công suất laser trong khi điều chỉnh các thông số DownSkin khác. Điều này tạo ra một vũng chảy lớn hơn nhưng ổn định hơn, đặc biệt là khi xây dựng phần nhô ra trên bột rời. Phương pháp này đã được sử dụng thành công cho nhiều vật liệu thường được sử dụng để chế tạo cánh quạt (ví dụ Ti64, 316L, AlSi10Mg, In718, v.v.).
Do đó, có thể đảm bảo rằng tất cả các góc tới hạn đều có thể được hưởng lợi từ thông số được tối ưu hóa này. Không giống như các công nghệ không được hỗ trợ khác, phương pháp DownSkin năng lượng cao không hy sinh tốc độ xây dựng và do đó, trường hợp kinh doanh cần tránh hỗ trợ.
Trong trường hợp không có bất kỳ biện pháp đối phó nào, phương pháp DownSkin năng lượng cao có thể dẫn đến các bộ phận quá khổ theo hướng z trong vùng DownSkin do vũng hàn sâu. Các bộ phận có thể được điều chỉnh kích thước phù hợp bằng cách xử lý sau hoặc bằng cách tinh chỉnh thiết kế. DownSkin cũng tương đối thô, nhưng độ nhám đồng đều, giúp cho các kỹ thuật hoàn thiện bề mặt số lượng lớn như gia công dòng mài mòn. Hầu như không có bất kỳ độ xốp nào (xem hình ảnh bên dưới), độ xốp được giới hạn ở DownSkin. Do đó, các đặc tính cơ học tổng thể không bị ảnh hưởng và bạn vẫn có thể tin tưởng vào quy trình InFill chất lượng cao do EOS phát triển. Do đó, quá trình thứ cấp như ép đẳng nhiệt nóng cũng không cần thiết để có được các đặc tính cơ học đầy đủ.
Hậu xử lý (Gia công dòng mài mòn, Kim loại AM)
Gia công dòng mài mòn là một kỹ thuật hoàn thiện bề mặt phổ biến được sử dụng cho các ứng dụng liên quan đến dòng chảy và hình học bên trong. Phương tiện mài mòn được đẩy qua bộ phận được giữ trong bộ cố định. Các hạt mài mòn trong vật liệu sẽ mài và đánh bóng bề mặt dọc theo đường dòng chảy. Để chuẩn bị cho việc hoàn thiện bề mặt bên trong, đường kính ngoài khép kín cần phải được gia công thành đường kính hở, đường kính và chiều cao của bộ phận được điều chỉnh phù hợp với vật cố định cho quy trình AFM. Sau khi gia công trước, chi tiết được kẹp và phương tiện mài mòn được đẩy qua chi tiết với sự trợ giúp của kẹp. Sau quá trình AFM, bánh công tác được gia công đến kích thước cuối cùng.
Phần cuối cùng được xử lý bằng Gia công dòng mài mòn (AFM)
Với sự tiến bộ không ngừng của công nghệ in 3D, các bộ phận được in 3D bằng kim loại sẽ tiếp tục phát triển hướng tới thị trường tiêu dùng cuối cùng.