Tại sao phải loại bỏ cấu trúc hỗ trợ in 3D kim loại?

1. Công việc chính của các công trình hỗ trợ và chúng đã thay đổi như thế nào theo thời gian
Rào cản vật lý để kiểm soát nhiệt động lực học
Trong quá trình in 3D kim loại, chùm tia laser hoặc tia điện tử tạo ra nhiệt độ rất cao (trên 2000 độ) ở những nơi nhỏ, khiến vật liệu chuyển từ chất lỏng sang chất rắn rất nhanh. Cấu trúc hỗ trợ phục vụ hai mục đích trong quá trình này. Đầu tiên, với vai trò là môi trường dẫn nhiệt, nó nhanh chóng truyền nhiệt từ khu vực lơ lửng sang bề mặt, giúp ngăn chặn ứng suất dư tích tụ do quá nhiệt cục bộ. Thứ hai, bằng cách hạn chế dòng chảy của kim loại, nó giữ cho bể nóng chảy không bị sụp đổ do trọng lực. Ví dụ, trong khi in cánh quạt bằng hợp kim titan, cấu trúc hỗ trợ có thể giảm 60% ứng suất nhiệt khi góc treo nhỏ hơn 45 độ. Điều này làm giảm tỷ lệ biến dạng cong vênh của các bộ phận từ 32% xuống dưới 5%.
Kết quả không thể tránh khỏi của quá trình lặp lại
Máy in 3D kim loại thời kỳ đầu cần rất nhiều cấu trúc hỗ trợ vì chúng không thể quản lý tốt mật độ năng lượng. Các thiết bị SLM hiện đại có thể cung cấp "hỗ trợ thích ứng" bằng cách điều chỉnh linh hoạt mật độ năng lượng laser nhờ sự phát triển của nhiều-công nghệ mô hình hóa khớp nối vật lý. Ví dụ: thiết bị LiM-X260A của Leiming Laser đã in thành công các cấu trúc lơ lửng mà không cần bất kỳ sự hỗ trợ nào ở các góc nhỏ 5 độ -35 độ bằng cách sử dụng các thuật toán quét được tối ưu hóa. Điều này đã cắt giảm 78% số lượng vật liệu hỗ trợ cần thiết. Nhưng công nghệ này vẫn chỉ hữu ích đối với một số loại vật liệu và hình dạng nhất định.
2. Vẫn còn những sai sót chết người trong kết cấu đỡ
Những kẻ giết người vô hình của tài sản vật chất
Giao diện vật liệu của cấu trúc hỗ trợ và thân in rất khác nhau về cách chúng được tổ chức. Khi in bằng thép không gỉ 316L, các tinh thể cột thô có thể hình thành tại điểm nối giữa giá đỡ lưới và chất rắn. Điều này làm cho khu vực này mềm hơn từ 15% đến 20% và độ bền kém hơn 40%. Hiệu ứng "cực âm lớn cực dương nhỏ" của cặn hỗ trợ có thể tạo ra sự ăn mòn điện hóa, điều này rất có hại cho các bộ phận quan trọng như đĩa tuabin trong động cơ máy bay vì nó tăng tốc độ ăn mòn lên gấp 3 đến 5 lần.
Ảnh hưởng xấu đến độ chính xác của hình dạng
Điểm tiếp xúc giữa kết cấu đỡ và bề mặt cấu kiện sẽ tạo ra lớp chuyển tiếp dày 0,1 đến 0,3 mm. Lớp này có thể có các khuyết tật trên bề mặt khi được loại bỏ bằng phương pháp cơ học. Ví dụ, vòi phun nhiên liệu của GE Aviation có kênh dòng chảy bên trong có đường kính chỉ 2mm. Nếu có hỗ trợ dư, phần kênh dòng chảy có thể bị uốn cong hơn 8%, điều này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu ứng nguyên tử hóa nhiên liệu. Ngay cả với các kỹ thuật-tiên tiến như hòa tan điện hóa, hiện tượng ăn mòn cục bộ ở mức 0,05mm vẫn có thể xảy ra nếu mật độ dòng điện không trải đều.
Điểm yếu của kiểm soát chi phí
Chi phí vật liệu được sử dụng để tạo ra cấu trúc hỗ trợ chiếm khoảng 12% đến 18% tổng chi phí in 3D kim loại. Chi phí của hợp kim nhiệt độ cao-làm từ niken-là hơn 2000 USD mỗi kg và việc vứt bỏ những vật liệu thừa là quá tốn công. Chi phí nhân công của giai đoạn xử lý hậu kỳ-đáng lo ngại hơn nhiều vì có thể lên tới 25% đến 30%. Trong dây chuyền sản xuất tự động của BMW IDAM, mọi người vẫn phải trợ giúp trong quá trình loại bỏ, điều này đã trở thành một nút thắt lớn khiến toàn bộ quá trình không thể tự động hóa được.
3. Những đột phá và vấn đề về công nghệ giúp loại bỏ
Một cuộc cách mạng trong việc loại bỏ cơ học chính xác
Có hai vấn đề chính với các quy trình cơ học truyền thống như cắt và phay dây: thứ nhất, chúng khó xử lý do cấu trúc khoang bên trong phức tạp, và thứ hai, chúng khó kiểm soát ở cấp độ micromet. Hệ thống robot NetShape của Rivelin Robotics có thể điều chỉnh lực tiếp xúc trong khoảng 0,1N bằng thuật toán điều khiển phản hồi lực. Khi được sử dụng với hệ thống định vị trực quan 3D, nó có thể tự động tìm và loại bỏ các chất hỗ trợ dư thừa, giúp bề mặt mịn hơn (từ Ra6,3 μ m đến Ra1,6 μ m) và tăng tốc độ xử lý lên 10 lần.
Bước đột phá có chọn lọc trong khắc hóa học
Công nghệ loại bỏ được hỗ trợ điện hóa do Đại học Bang Arizona phát triển đạt được khả năng hòa tan có chọn lọc thông qua việc tạo ra một trường thế khác biệt. Trong hệ thống thép không gỉ/thép cacbon 304, sự kết hợp giữa dung dịch axit nitric 41% trọng lượng và oxy có thể loại bỏ hoàn toàn lớp đỡ bằng thép cacbon dày 7mm trong 6 giờ. Nó cũng giữ tốc độ ăn mòn của bề mặt thép không gỉ dưới 0,002mm/h. Công nghệ này đã được sử dụng để chế tạo các thiết bị cấy ghép y tế, giúp giảm thời gian tháo bỏ vật hỗ trợ từ 48 giờ xuống còn 8 giờ.
Sử dụng thuật toán thông minh để đưa ra dự đoán về cách cải thiện mọi thứ
Công ty khởi nghiệp Materialize của Bỉ tạo ra phần mềm có tên Magics có thể sử dụng các mô hình học máy để tự động xây dựng các cấu trúc hỗ trợ tốt nhất. Hệ thống học hỏi từ 100.000 bộ dữ liệu quy trình và có thể dự đoán ứng suất nhiệt sẽ lan rộng như thế nào trên các hình dạng khác nhau. Nó cũng có thể tự thay đổi mật độ hỗ trợ và diện tích tiếp xúc. Khi in một phần nhất định của cấu trúc máy bay, phương pháp hỗ trợ được tối ưu hóa giúp giảm 42% mức sử dụng vật liệu và-thời gian xử lý hậu kỳ xuống 65%.