افزودن و حذف تکیه گاه ها برای مدت طولانی در طول تولید افزودنی های فلزی (AM) یک چالش بوده است. با در نظر گرفتن پخت مستقیم لیزری فلزات (DMLS) به عنوان مثال، مدل باید قبل از چاپ با ساختارهای نگهدارنده از پیش تنظیم شود تا از تغییر شکل ناشی از تنش حرارتی جلوگیری شود و گرما را از حوضچه مذاب دور کند. این براکت ها به طور کلی بخشی از طراحی و ساخت هستند. پس از ساخت، سازه پشتیبانی برچیده و دور انداخته شد. بدون پشتیبانی، چاپ ساختارهای کنسولی زیر یک زاویه شیب خاص (معمولاً در حدود 45 درجه) دشوار است، که اغلب گزینهها را برای کاربران سیستمهای پرینت سه بعدی فلزی محدود میکند، و همچنین بسیاری از تجهیزات OEM و شرکتهای نرمافزار تولید افزودنی را به ارمغان میآورد. یک چالش بزرگ
برای حل مشکلات فوق، کارشناسان شرکت EOS Additive Minds در حال حاضر تکنیک های مختلف بهینه سازی فرآیند را برای تولید قطعات پرینت سه بعدی بدون ساختار پشتیبانی، مانند حلقه های استاتور، محفظه ها، پمپ های توربو، مخازن نفت، مبدل های حرارتی، شیرها و پروانه ها توسعه داده اند. پروانه بسته یکی از موارد معمولی است. از طریق نرمافزار طراحی بهینه و بستههای پارامتری، EOS به کاربران امکان میدهد تا کنسولها و پلها را در زوایای پایینتر (گاهی اوقات حتی صفر) چاپ کنند، که نیاز به پشتیبانی بسیار کمتر یا بدون نیاز دارند.
ساخت افزودنی پشتیبانی نشده همچنین در مرحله پس از پردازش زمان زیادی را صرفه جویی می کند، زیرا نیازی به حذف پشتیبانی اضافی نیست. در مورد حذف دستی، این نیز زمان و انرژی کارمندان را برای کارهای دیگر آزاد می کند. ساخت قطعات بدون ساختار پشتیبانی نیز باعث کاهش ضایعات مواد می شود، زیرا هیچ چیز دور ریخته نمی شود و تمام جنبه های قطعه و طراحی ساپورت ضروری است. با این حال، این فرآیند آسانی نیست و کارشناسان و سازندگان طراحی نرم افزار سال هاست که روی چالش طراحی بدون پشتیبانی کار می کنند.
در این مقاله، عمدتا نشان داده شده است که چگونه کارشناسان EOS از روش پشتیبانی نشده برای ساخت پروانه استفاده می کنند. پروانه های محصور شده یا روکش دار در بسیاری از صنایع مورد استفاده قرار می گیرند و از نظر اندازه، شکل، مواد و الزامات عملکرد بسیار متفاوت هستند. پروانه های محصور اغلب در معرض شرایط شدید مانند سرعت چرخش بالا، محیط های بسیار خورنده و بارهای مکانیکی ناشی از دماهای شدید قرار می گیرند. به عنوان مثال، کاربردهای توربو پمپ در موشک های فضایی، سیستم های فشرده سازی در میکروتوربین ها و پمپ های آب دریا در کاربردهای نفت و گاز.
پشتیبانی از الزامات طراحی در چاپ سه بعدی فلزی سنتی
طراحی قطعات پرینت سه بعدی با پشتیبانی یک رویکرد استاندارد برای ساخت افزودنی (AM) بوده است. تعداد، اندازه و محل تکیه گاه ها توسط تعدادی از عوامل تعیین می شود:
تنش های پسماند در حین چاپ می تواند باعث تغییر شکل مدل سه بعدی شود. برای جلوگیری فیزیکی از این تغییر شکل می توان تکیه گاه ها را اضافه کرد.
قطع شدن پوشش مجدد که بر ساخت میانی قطعه تأثیر می گذارد، ممکن است قطعه را لرزانده یا باعث آسیب شود و در نتیجه کار ناموفق باشد. از براکت ها برای محافظت از قطعات در برابر هر گونه تأثیر پوشش مجدد استفاده می شود.
انتقال حرارت از طریق تکیه گاه ها به قطعات اجازه می دهد تا در طول فرآیند ساخت سریعتر و با موفقیت شکل بگیرند.
برای اطمینان از ساخت و تولید موفقیتآمیز قطعات پرینتر سه بعدی، دلایل مختلفی که بر طراحی پشتیبانی تأثیر میگذارند باید در نظر گرفته شوند، از جمله:
جهت گیری قطعه تعیین می کند که چه مقدار از قطعه باید پشتیبانی شود. به طور معمول، اگر جهت گیری قطعات به گونه ای باشد که سطح بزرگتری روی صفحه ساخت قرار نگیرد، برای جبران عوامل فوق به پشتیبانی بیشتری نیاز است.
برآمدگی های 45 درجه یا کمتر معمولاً به ساختارهای پشتیبانی نیاز دارند.
کانالها و سوراخها ممکن است بدون پشتیبانی تغییر شکل دهند، بسته به اندازهشان و اینکه آیا جهتگیری نامناسبی دارند یا خیر.
طراحی مدل
با داشتن تخصص مناسب و مهارتهای خلاقانه در حل مسئله، تیم EOS با موفقیت راههای جدیدی را برای طراحی و ساخت مدلها توسعه داده است، و این تصور از پیش تصور شده «افت کم باید پشتیبانی اضافه کند» را با نتایج عالی در هم شکسته است. پروانه مورد استفاده در این مقاله برای نشان دادن ساختار بدون پشتیبانی و قابلیتهای فرآیند DMLS توسط EOS Additive Minds با قطر 150 میلیمتر با 12 تیغه با زوایای اورهانگ تا 10 درجه طراحی شده است.
جهت تمایل اعضا و ساختار پشتیبانی
پروانهها معمولاً در جهت مایل چاپ میشوند تا از تکیهگاههای داخلی جلوگیری شود زیرا برداشتن آنها دشوار است. با این حال، این جهت گیری معمولاً منجر به زمان ساخت طولانی تر، کیفیت سطح ناهموار و گرد بودن قطعه می شود. جهت گیری مسطح چندین مزیت مانند زمان ساخت کوتاه تر، گرد بودن و دقت بهتر و کیفیت سطح یکنواخت تر در سراسر قطعه را ارائه می دهد. با این حال، اورهنگ های کم معمولاً به پشتیبانی زیادی نیاز دارند. برای فرآیند DMLS فعلی، باید از اورهنگ های بزرگتر کمتر از 35 درجه پشتیبانی شود. تکیه گاه ها برای دفع گرما از حوضچه مذاب برای جبران نیروهای پوشش مجدد و تنش قسمت داخلی مورد نیاز هستند.
بهینه سازی طراحی پشتیبانی نشده
EOS به طور قابل توجهی نیاز به افزودن پشتیبانی داخلی را با استفاده از تکنیک های پیشرفته طراحی مدل کاهش می دهد. بهینه سازی طراحی فرآیند تولید افزودنی نیز جنبه مهم دیگری است که به موفقیت چاپ مربوط می شود. در حالی که می توان از حمایت داخلی در درجه اول از طریق استفاده از استراتژی های قرار گرفتن در معرض تنظیم شده اجتناب کرد، ساختارهای پشتیبانی خارجی اغلب هنوز مورد نیاز است.
در مورد پروانه این مقاله، به جای استفاده از پرکننده جامد، قسمت پایینی با استفاده از قوس های خود نگهدار و دیوارهای نازک اصلاح شد تا اتصال سکوی قوی و جلوگیری از تغییر شکل در حین ساخت تضمین شود. این امکان استفاده از مواد کمتری را نسبت به استنتهای معمولی فراهم میکند و در عین حال استحکام بالا و ماشینکاری را بهبود میبخشد. قطر بیرونی پروانه بسته است تا هنگام ساخت، سختی بیشتری برای قطعه ایجاد کند و از افت دقت هندسی در لبه خروجی جلوگیری کند. برای این پروانه، طراحی پیشرفته امکان کاهش 15 درصدی مواد را فراهم می کند، در حالی که بهینه سازی شده برای ماشین و خود نگهدارنده بودن، بدون پشتیبانی داخلی است.
بهینه سازی فرآیند
پروانه با استفاده از روش موسوم به DownSkin با انرژی بالا (نوع نوردهی مورد استفاده برای ساخت سطوح آویزان) ساخته شده است. اساساً، این روش با افزایش توان لیزر و تنظیم سایر پارامترهای DownSkin، ورودی چگالی انرژی نوردهی DownSkin را افزایش میدهد. این یک حوضچه مذاب بزرگتر اما پایدارتر ایجاد می کند، به خصوص در هنگام ساختن برآمدگی روی پودرهای شل. این روش با موفقیت برای بسیاری از موادی که اغلب برای ساخت پروانه ها استفاده می شوند (به عنوان مثال Ti64، 316L، AlSi10Mg، In718، و غیره) استفاده شده است.
بنابراین، می توان اطمینان داشت که تمام زوایای بحرانی می توانند از این پارامتر بهینه بهره مند شوند. بر خلاف سایر فناوریهای پشتیبانینشده، رویکرد DownSkin با انرژی بالا، سرعت ساخت و در نتیجه کسبوکار را برای اجتناب از پشتیبانی قربانی نمیکند.
در غیاب هرگونه اقدام متقابل، روش DownSkin پرانرژی میتواند منجر به ایجاد قطعات بزرگ در جهت z در ناحیه DownSkin به دلیل حوضچه عمیق جوش شود. قطعات را می توان با پس پردازش یا با تغییر طراحی به اندازه مناسب تنظیم کرد. DownSkin نیز نسبتا زبر است، اما زبری یکنواخت است، که به تکنیکهای تکمیل سطح حجیم مانند ماشینکاری جریان ساینده کمک میکند. همچنین تقریباً هیچ تخلخلی وجود ندارد (تصویر زیر را ببینید)، تخلخل به DownSkin محدود می شود. بنابراین، خواص مکانیکی کلی تحت تأثیر قرار نمیگیرد و همچنان میتوانید به فرآیند InFill با کیفیت بالا که توسط EOS توسعه داده شده است، اعتماد کنید. بنابراین، فرآیند ثانویه مانند پرس ایزواستاتیک داغ نیز برای به دست آوردن خواص مکانیکی کافی مورد نیاز نیست.
پس از پردازش (ماشینکاری جریان ساینده، فلزات AM)
ماشینکاری جریان ساینده یک تکنیک متداول تکمیل سطح است که برای کاربردهای مرتبط با جریان و هندسه های داخلی استفاده می شود. رسانه ساینده از طریق بخشی که در فیکسچر نگه داشته شده است رانده می شود. ذرات ساینده در رسانه سطح را در طول مسیر جریان آسیاب و صیقل می دهند. به عنوان آماده سازی برای تکمیل سطح داخلی، قطر بیرونی بسته باید به شکل باز، قطر و ارتفاع قسمت تنظیم شود که برای فرآیند AFM با فیکسچر تنظیم شود. پس از انجام پیش ماشینکاری، قطعه گیره شده و مواد ساینده با کمک گیره از داخل قطعه عبور داده می شود. پس از فرآیند AFM، پروانه تا اندازه نهایی ماشین کاری می شود.
قسمت نهایی با ماشین کاری جریان ساینده (AFM) درمان شد
با پیشرفت مداوم فناوری چاپ سه بعدی، قطعات پرینت سه بعدی فلزی به سمت بازار مصرف نهایی توسعه خواهند یافت.