Czy rozpuszczalne podłoże jest możliwe w druku 3D z metalu?

1. Zasada techniczna: Anoda protektorowa do przebicia elektrochemicznego
Podstawą technologii rozpuszczalnego nośnika jest metoda ochrony anod protektorowych, która wykorzystuje różnicę potencjałów pomiędzy dwoma metalami w elektrolicie w celu wywołania korozji selektywnej. W druku 3D metalu technikę tę wykorzystuje się w nowy sposób do oddzielenia korpusu części od konstrukcji nośnej:
Wybór odpowiednich materiałów: do budowy części używaj metali nierdzewnych (takich jak stal nierdzewna) i metali rdzewiejących (takich jak-stal niskowęglowa) do podpór. Na przykład zespół Uniwersytetu Stanowego w Arizonie zastosował mieszankę stali nierdzewnej AISI 431 (na części) i stali niskowęglowej Metco 91 (na podpory), aby podpory rozpuściły się w kwasie azotowym bez uszkadzania powierzchni części.
Przyspieszenie elektrochemiczne-: użycie samego kwasu azotowego powoduje, że korozja zachodzi wolniej (rozpuszcza jedynie 1,4 mm stali węglowej w ciągu 10 godzin), ale dodanie pęcherzyków tlenu sprawia, że ​​zachodzi ona 6 razy szybciej. Tlen rozbija warstwę pasywacyjną na powierzchni stali węglowej, przyspiesza rozwój prądu korozyjnego i całkowicie rozpuszcza ostatnie 7 mm stali węglowej w ciągu 6 godzin.
Kontrola selektywna: W przypadku materiałów nośnikowych elektrolity muszą mieć selektywność rozpuszczalności większą niż 100:1. Na przykład kwas azotowy niszczy stal węglową ponad 1000 razy szybciej niż stal nierdzewną, co oznacza, że ​​korpus elementu nie ulega uszkodzeniu.
2. Zgodność materiałów: ograniczenia i rozwiązania metalurgiczne
Aby zastosować rozpuszczalne wsparcie w przemyśle, należy rozwiązać dwa duże problemy inżynierii materiałowej:
Kompatybilność metalurgiczna: Zarówno materiały nośne, jak i materiały składowe muszą spełniać następujące warunki:
Podobieństwo strukturalne kryształów: aby zapobiec pękaniu naprężeniowemu powierzchni styku, które może wystąpić, gdy współczynniki rozszerzalności cieplnej są różne. Na przykład stal-niskowęglowa i stal nierdzewna mają-centryczne struktury sześcienne, a różnica współczynnika rozszerzalności cieplnej jest mniejsza niż 10%. Oznacza to, że mogą wytrzymać wysokie zmiany temperatury podczas drukowania 3D z metalu.
Trzymaj się z daleka od związków międzymetalicznych: niektóre kombinacje materiałów, takie jak stopy tytanu i aluminium, są bardziej podatne na kruchość w wysokich temperaturach. Aby tego uniknąć, należy uregulować parametry procesu lub zbudować warstwę pośrednią.
Rozszerzenie systemu materiałów: obecne badania wykazały, że system ze stali nierdzewnej-stal węglowej jest możliwy i w przyszłości należy opracować dalsze kombinacje materiałów.
Stop wysokotemperaturowy-: Inconel 718 i niektóre materiały anod protektorowych mogą być używane razem do wytwarzania części gorących do silników lotniczych.
Stop tytanu:-dostosowując skład elektrolitu, Ti6Al4V i rozpuszczalny nośnik mogą ze sobą współdziałać.
Metale ogniotrwałe: aby usunąć wsparcie z metali o wysokiej-topliwości-takich jak wolfram i tantal, musimy stworzyć układy elektrochemiczne działające w wysokich temperaturach.
3, Optymalizacja procesu: przejście z laboratorium na linię produkcyjną
Aby uprzemysłowić technologię rozpuszczalnych nośników, należy pokonać trzy istotne wąskie gardła procesu:
Poprawa efektywności korozji: Impulsowa technologia elektrochemiczna: Pomaga usunąć produkty korozji i zapobiega tworzeniu się warstw pasywacyjnych poprzez włączanie i wyłączanie prądu. Na przykład napięcie pulsacyjne może spowodować, że stal węglowa koroduje trzy razy szybciej.
Pomoc ultradźwiękowa: Dodanie fal ultradźwiękowych do elektrolitu przyspiesza przenoszenie masy, powodując kawitację, co skraca czas korozji o ponad 50%.
Kontrola jakości powierzchni:
System krążących elektrolitów: Pompowanie krążących elektrolitów zapobiega pogorszeniu się chropowatości powierzchni, zapobiegając lokalnym rozbieżnościom stężeń. Na przykład zbiornik do korozji natryskowej może sprawić, że powierzchnia przedmiotów będzie mniej szorstka, od Ra10 μm do Ra2 μm.
Polerowanie po obróbce: korozja elektrochemiczna w połączeniu z-metodami bezkontaktowymi, takimi jak polerowanie magnetoreologiczne, może sprawić, że powierzchnia będzie gładka jak lustro (Ra<0.1 μ m).
Zautomatyzowana integracja:
System wyszukiwania informacji online: Przemysłowa tomografia komputerowa umożliwia-monitorowanie pozostałości pomocniczych w czasie rzeczywistym i dynamiczną regulację parametrów korozji. Na przykład system Smart Clean firmy GE Additive może automatycznie znaleźć punkty podparcia i poprawić rozkład gęstości prądu.
Sterowanie w zamkniętej pętli: użyj metod uczenia maszynowego, aby opracować model przewidujący szybkość korozji, tak aby parametry procesu mogły być zmieniane automatycznie. Po zastosowaniu tej techniki przez jedną z firm lotniczych wskaźnik usuwania podpór wzrósł z 70% do 99%.
4. Perspektywy zastosowań przemysłowych: od skomplikowanych konstrukcji do produkcji masowej
W rzeczywistej-świecie produkcji technologia rozpuszczalnego wsparcia okazała się całkiem przydatna:
W branży lotniczej firma GE Aviation wykorzystuje rozpuszczalne druki nośne do produkcji komór spalania z Inconelu 718. Skraca to czas potrzebny na usunięcie podpory z 40 godzin do 8 godzin, a na powierzchni nie ma śladów uszkodzeń mechanicznych.
Producent satelitów z powodzeniem wydrukował wymiennik ciepła z 2000 mikrokanałami, wykorzystując technologię rozpuszczalnego nośnika. Kanały mają tylko 0,5 mm szerokości, a ilość pozostałości proszku jest mniejsza niż 0,1%.
Implanty medyczne: Spersonalizowany staw biodrowy: Johnson&Johnson Medical wykorzystuje rozpuszczalne wsparcie do drukowania stawów biodrowych Ti6Al4V o chropowatości powierzchni Ra0,8 μm. Spełnia to standardy implantów ortopedycznych i pozwala uniknąć trudności z utwardzaniem powierzchni, które mogą wystąpić w przypadku tradycyjnej obróbki.
Implanty dentystyczne: Firma dentystyczna skróciła czas drukowania implantów z trzech do jednego dnia, korzystając z technologii rozpuszczalnego wsparcia. Spowodowało to obniżkę cen o 40%.
Wykonywanie form: Elastyczną formę chłodzącą wytwarza się poprzez połączenie stali formierskiej (takiej jak H13) z rozpuszczalnym podłożem. Umożliwia to drukowanie skomplikowanych kanałów chłodzących. Kiedy tę technikę zastosowano w pewnej fabryce form samochodowych, wydajność chłodzenia formy wzrosła o 30%, a czas potrzebny na wykonanie formy spadł o 25%.