Il supporto solubile è fattibile nella stampa 3D in metallo?

1. Principio tecnico: anodo sacrificale per la svolta elettrochimica
Il metodo di protezione dell'anodo sacrificale, che sfrutta la differenza di potenziale tra due metalli nell'elettrolita per provocare corrosione selettiva, costituisce la base della tecnologia del supporto solubile. Nella stampa 3D in metallo, questa tecnica viene utilizzata in un modo nuovo per separare il corpo della parte dalla struttura portante:
Scelta dei materiali giusti: utilizza metalli che non arrugginiscono (come l'acciaio inossidabile) per le parti e metalli che arrugginiscono (come l'acciaio a basso-carbonio) per i supporti. Ad esempio, il team dell'Arizona State University ha utilizzato una miscela di acciaio inossidabile AISI 431 (per le parti) e acciaio a basso tenore di carbonio Metco 91 (per i supporti) per far sì che i supporti si dissolvessero nell'acido nitrico senza danneggiare le superfici delle parti.
Accelerazione elettrochimica-: l'uso del semplice acido nitrico provoca la corrosione più lentamente (dissolve solo 1,4 mm di acciaio al carbonio in 10 ore), ma l'aggiunta di bolle di ossigeno la rende 6 volte più veloce. L'ossigeno rompe lo strato di passivazione sulla superficie dell'acciaio al carbonio, accelera lo sviluppo della corrente di corrosione e dissolve completamente gli ultimi 7 mm di acciaio al carbonio in 6 ore.
Controllo selettivo: per i materiali di supporto, gli elettroliti devono avere una selettività di solubilità superiore a 100:1. Ad esempio, l'acido nitrico corrode l'acciaio al carbonio oltre 1000 volte più velocemente che l'acciaio inossidabile, il che significa che il corpo del componente non viene danneggiato.
2. Compatibilità dei materiali: limiti e rimedi metallurgici
Per utilizzare il supporto solubile nell’industria, è necessario risolvere due grandi problemi nella scienza dei materiali:
Compatibilità metallurgica: le seguenti condizioni devono essere soddisfatte sia dai materiali di supporto che dai materiali dei componenti:
Somiglianza strutturale cristallina: per prevenire le fessurazioni da stress dell'interfaccia che possono verificarsi quando i coefficienti di dilatazione termica sono diversi. Ad esempio, l'acciaio a basso-carbonio e l'acciaio inossidabile hanno entrambi strutture cubiche a facce-centrate e una differenza del coefficiente di dilatazione termica inferiore al 10%. Ciò significa che possono gestire variazioni di temperatura elevate durante la stampa 3D in metallo.
Stai lontano dai composti intermetallici: alcune combinazioni di materiali, come le leghe di titanio e alluminio, hanno maggiori probabilità di diventare fragili alle alte temperature. Per evitare ciò è necessario regolare i parametri del processo o costruire uno strato intermedio.
Espansione del sistema di materiali: la ricerca attuale ha dimostrato che il sistema acciaio inossidabile-acciaio al carbonio è possibile e che in futuro dovranno essere realizzate ulteriori combinazioni di materiali.
Lega ad alta-temperatura: l'Inconel 718 e alcuni materiali per anodi sacrificali possono essere utilizzati insieme per realizzare parti hot-end per motori aeronautici.
Lega di titanio: perfezionando-la formula dell'elettrolita, Ti6Al4V e il supporto solubile possono lavorare insieme.
Metalli refrattari: per rimuovere il supporto dai metalli ad alto punto di fusione-come tungsteno e tantalio, dobbiamo creare sistemi elettrochimici che funzionino a temperature elevate.
3, Ottimizzazione del processo: passare dal laboratorio alla linea di produzione
Per industrializzare la tecnologia del supporto solubile è necessario superare tre importanti colli di bottiglia del processo:
Migliorare l'efficienza della corrosione: Tecnologia elettrochimica a impulsi: aiuta a rimuovere i prodotti della corrosione e impedisce la formazione di strati di passivazione accendendo e spegnendo la corrente. Ad esempio, la tensione pulsata può far corrodere l’acciaio al carbonio tre volte più velocemente.
Aiuto ultrasonico: l'aggiunta di onde ultrasoniche all'elettrolita accelera il trasferimento di massa provocando cavitazione, che riduce il tempo di corrosione di oltre il 50%.
Controllo qualità della superficie:
Sistema per la circolazione degli elettroliti: il pompaggio degli elettroliti in circolazione impedisce il peggioramento della rugosità superficiale prevenendo discrepanze di concentrazione locali. Ad esempio, una vasca di corrosione a spruzzo può rendere la superficie degli oggetti meno ruvida, da Ra10 μm a Ra2 μm.
Lucidatura dopo il trattamento: la corrosione elettrochimica, insieme ai metodi senza-contatto come la lucidatura magnetoreologica, può rendere una superficie liscia come uno specchio (Ra<0.1 μ m).
Integrazione automatizzata:
Sistema per trovare oggetti online: la TC industriale consente il monitoraggio-in tempo reale dei residui di supporto e la regolazione dinamica dei parametri di corrosione. Ad esempio, il sistema Smart Clean di GE Additive può trovare automaticamente punti di supporto e migliorare la distribuzione della densità di corrente.
Controllo a circuito chiuso: utilizza metodi di apprendimento automatico per sviluppare un modello che preveda il tasso di corrosione in modo che i parametri di processo possano essere modificati automaticamente. Dopo che una compagnia aerea ha utilizzato questa tecnica, il tasso di rimozione del supporto è aumentato dal 70% al 99%.
4. Prospettive di applicazione industriale: dalle strutture complicate alla produzione di massa
Nella produzione-del mondo reale, la tecnologia del supporto solubile si è rivelata molto utile:
In campo aerospaziale, GE Aviation utilizza la stampa su supporto solubile per realizzare la camera di combustione dell'Inconel 718. Questo riduce il tempo necessario per rimuovere il supporto da 40 ore a 8 ore e non sono presenti segni di danni meccanici sulla superficie.
Un produttore di satelliti ha stampato con successo uno scambiatore di calore con 2000 microcanali utilizzando la tecnologia di supporto solubile. I canali sono larghi solo 0,5 mm e il tasso di residuo di polvere è inferiore allo 0,1%.
Impianti medici: Articolazione dell'anca personalizzata: Johnson&Johnson Medical utilizza un supporto solubile per stampare articolazioni dell'anca in Ti6Al4V con una ruvidità superficiale di Ra0,8 μ m. Ciò soddisfa gli standard degli impianti ortopedici ed evita le difficoltà di indurimento superficiale che possono verificarsi con la lavorazione tradizionale.
Impianti dentali: un'azienda dentale ha ridotto il tempo necessario per stampare gli impianti da tre giorni a un giorno utilizzando la tecnologia di supporto solubile. Ciò ha ridotto i prezzi del 40%.
Realizzazione di stampi: uno stampo di raffreddamento flessibile viene realizzato combinando l'acciaio per stampi (come H13) con un supporto solubile. Ciò consente di stampare complicati canali di raffreddamento. Quando questa tecnica è stata utilizzata in un determinato stabilimento di stampi per automobili, l'efficienza di raffreddamento dello stampo è aumentata del 30% e il tempo necessario per realizzare uno stampo è diminuito del 25%.