Cái nào phù hợp hơn cho in 3D kim loại, hút bụi hay làm sạch bằng luồng không khí?

一, Công nghệ làm sạch chân không: cơ sở vật lý của quy trình EBM
1. Cách thức hoạt động chính
Trong công nghệ Chùm tia điện tử (EBM), chùm tia điện tử năng lượng cao-làm tan chảy từng lớp bột kim loại trong chân không. Hệ thống chân không của nó có ba công việc chính:
Đảm bảo đường đi của chùm tia điện tử: Trong chân không cao 4 × 10 ⁻¹ Pa, đường đi tự do trung bình của chùm tia điện tử có thể đạt tới hàng chục mét. Điều này giúp năng lượng không bị mất khi chùm tia chạm vào các phân tử khí và đảm bảo rằng bể tan chảy có độ chính xác trong khoảng ± 0,2mm.
Ngăn chặn quá trình oxy hóa vật liệu: Trong chân không, tốc độ oxy hóa của các vật liệu hoạt động như hợp kim titan (Ti6Al4V) giảm 99,7% và tỷ lệ thu hồi bột tăng từ 75% trong phương pháp SLM lên 92%. Chi phí in một trang giảm 30%.
Hiệu quả khử khí tốt hơn: Môi trường chân không làm giảm 80% độ hòa tan của khí trong bể tan chảy và độ xốp từ 0,5% SLM xuống 0,02%, giúp tăng đáng kể tuổi thọ mỏi của các bộ phận.
2. Kế hoạch đưa thiết bị vào sử dụng
Ví dụ: hệ thống EBM của Pfeiffer Vacuum ở Đức sử dụng kiến ​​trúc chân không ba{0}}cấp:
Bơm Roots và bơm cánh gạt quay phối hợp với nhau để cung cấp khả năng bơm thô, giảm áp suất trong buồng từ áp suất khí quyển xuống 10⁻¹ Pa chỉ trong 3 phút.
Nhóm bơm chân không cao: Bơm phân tử và bơm thăng hoa titan hoạt động cùng nhau để tạo ra chân không 5 × 10⁻⁵ Pa, đây là nhu cầu EBM cao nhất để ổn định chùm tia điện tử.
Hệ thống phát hiện rò rỉ: Máy dò rò rỉ khối phổ kế helium theo dõi độ kín của buồng trong thời gian thực và giữ tốc độ rò rỉ tích lũy dưới 1 × 10⁻⁹ Pa · m³/s để giữ cho quá trình in ổn định trong thời gian dài.
3. Giới hạn về quy trình
Về cơ bản có ba cách mà việc làm sạch máy hút bụi bị hạn chế:
Chi phí thiết bị cao: Hệ thống chân không cao chiếm tới 40% tổng chi phí thiết bị EBM và chi phí bảo trì lớn hơn 2,3 lần so với quy trình SLM.
Khả năng thích ứng vật liệu hạn chế: nó chỉ hoạt động với quá trình nấu chảy chùm tia điện tử chứ không hoạt động với các công nghệ nấu chảy bằng laser như SLM.
Hạn chế về chu trình sản xuất: Bơm chân không chiếm 25% chu trình sản xuất từng sản phẩm, khiến nó kém hiệu quả hơn nhiều khi sản xuất số lượng lớn.
2, Công nghệ làm sạch luồng khí: bước tiến lớn trong quy trình LPBF
1. Ý tưởng mới về công nghệ
EOS đã sản xuất AirSword cho các máy LPBF (nung chảy bột bằng laser) lớn. Hệ thống quản lý luồng không khí tạo ra ba cải tiến lớn bằng cách tối ưu hóa động lực học chất lỏng:
Thiết kế phân lớp: Bằng cách sử dụng kết hợp các kênh chỉnh lưu và cánh dẫn hướng không khí, độ lệch chuẩn của tốc độ luồng khí được giảm từ 1,2m/s thông thường xuống 0,3m/s, loại bỏ vùng xoáy bên trong khoang.
Kiểm soát nhiệt động lực học: Các cánh tản nhiệt có chất lỏng làm mát tuần hoàn bên trong giúp giữ cho nhiệt độ luồng khí không thay đổi quá 5 độ C. Điều này giúp bột không bị vón cục lại với nhau do ứng suất nhiệt.
Kết hợp nhiều trường vật lý: Mô phỏng CFD được sử dụng để cải thiện cấu trúc ống dẫn khí, mang lại hiệu quả loại bỏ khói và bụi là 98,7% trong khu vực xây dựng 1,5m × 1,5m. Cách này tốt hơn 42% so với cách thông gió chéo cũ.
2. Ví dụ về triển khai kỹ thuật
Khi sử dụng thiết bị AMCM M8K, hệ thống AirSword™ cho thấy rất nhiều lợi ích:
Bảo vệ hệ thống quang học: Độ truyền qua của thấu kính bảo vệ duy trì ở mức 99,2% ngay cả sau 200 giờ in liên tục. Điều này có nghĩa là chu kỳ bảo trì kéo dài hơn năm lần so với các giải pháp tiêu chuẩn.
Sử dụng bột tốt hơn: Mức oxy trong buồng được giữ ổn định dưới 50ppm, giúp giảm tốc độ oxy hóa của bột hợp kim gốc niken-từ 0,8% xuống 0,15%.
Đột phá về số lượng vật liệu chúng ta có thể tạo ra: Thời gian chu kỳ in để chế tạo các bộ phận kết cấu hàng không có kích thước 1m 1m 0,5m đã giảm xuống còn 72 giờ, nhanh hơn 35% so với phương pháp chân không.
3. Giới hạn kỹ thuật
Việc sử dụng làm sạch luồng không khí bị hạn chế bởi các yếu tố sau:
Giới hạn hoạt động của vật liệu: Đối với các vật liệu rất nhạy cảm với quá trình oxy hóa, chẳng hạn như hợp kim titan, cần phải bảo vệ bằng khí trơ (như áp suất riêng phần argon 99,999%), điều này làm tăng chi phí vận hành.
Yêu cầu đối với thiết bị bịt kín: Để giữ cho các hạt bên ngoài không xâm nhập và làm rối loạn luồng không khí, hệ thống ống dẫn khí phải có cấp bảo vệ IP67.
Giới hạn kích thước cho các tòa nhà: Nếu diện tích tòa nhà lớn hơn 2m 2m và chiều dài của luồng không khí lớn hơn giá trị tới hạn của cơ học chất lỏng thì cần thiết kế trường gió độc lập được phân vùng.
3, Ma trận quyết định về khả năng thích ứng của quy trình
Khía cạnh đánh giá: Công nghệ làm sạch luồng không khí, Công nghệ làm sạch chân không
Quy trình có thể sử dụng được là Làm nóng chảy bằng chùm tia điện tử (EBM) và Làm nóng chảy bột bằng laser (LPBF)
Khả năng thích ứng của vật liệu: Vật liệu hoạt động, như hợp kim titan và hợp kim crom coban, và các vật liệu thông thường, như hợp kim nhôm và thép không gỉ
Kích thước của tòa nhà phải nằm trong khoảng từ 0,35m 0,35m 0,38m đến 1m 1m 0,5m (có thể làm lớn hơn).
Chi phí thiết bị cao (40% tổng chi phí thiết bị)
Hiệu suất sản xuất thấp (sử dụng máy hút bụi 25%) và cao (khả năng chạy liên tục)
Một số vị trí phổ biến để sử dụng chúng là trên cánh tuabin của động cơ máy bay, thiết bị cấy ghép y tế, các bộ phận kết cấu khổng lồ của máy bay và khuôn mẫu của ô tô.