L'aggiunta e la rimozione di supporti è stata a lungo una sfida durante la produzione additiva di metalli (AM). Prendendo come esempio la sinterizzazione laser diretta dei metalli (DMLS), il modello deve essere preimpostato con strutture di supporto prima della stampa per evitare la deformazione causata dallo stress termico e condurre il calore lontano dal bagno fuso. Queste staffe fanno parte della progettazione e della produzione nel suo insieme. Dopo la costruzione, la struttura di supporto è stata smantellata e dismessa. Senza supporti, è difficile stampare strutture a sbalzo al di sotto di un certo angolo di inclinazione (di solito intorno ai 45 gradi), che spesso limita le opzioni per gli utenti dei sistemi di stampa 3D in metallo e porta anche molti OEM di apparecchiature e società di software di produzione additiva. una grande sfida.
Per risolvere i problemi di cui sopra, gli esperti della società EOS Additive Minds hanno ora sviluppato varie tecniche di ottimizzazione dei processi per produrre parti stampate in 3D senza strutture di supporto, come anelli statorici, alloggiamenti, turbopompe, serbatoi dell'olio, scambiatori di calore, valvole e giranti, di cui la girante chiusa è uno dei casi più tipici. Attraverso un software di progettazione ottimizzato e pacchetti di parametri, EOS consente agli utenti di stampare cantilever e ponti con angoli inferiori (a volte anche zero), richiedendo molto meno o nessun supporto.
La produzione additiva non supportata consente inoltre di risparmiare molto tempo nella fase di post-elaborazione, poiché non è necessario rimuovere ulteriori supporti. In caso di rimozione manuale, ciò libera anche tempo ed energia dei dipendenti per altri lavori. La produzione di parti senza una struttura di supporto riduce anche lo spreco di materiale, poiché nulla viene gettato via e tutti gli aspetti della parte e della progettazione del supporto sono necessari. Tuttavia, questo non è un processo facile e da anni esperti di progettazione software e produttori lavorano alla sfida della progettazione non supportata.
In questo articolo, viene mostrato principalmente come gli esperti di EOS utilizzano il metodo non supportato per costruire la girante. Le giranti chiuse o schermate sono utilizzate in molti settori e variano ampiamente in termini di dimensioni, forma, materiale e requisiti di prestazione. Le giranti chiuse sono spesso esposte a condizioni estreme come velocità di rotazione elevate, fluidi altamente corrosivi e carichi meccanici causati da temperature estreme. Ad esempio, applicazioni di turbopompe in razzi spaziali, sistemi di compressione in microturbine e pompe per acqua di mare in applicazioni di petrolio e gas.
Supporta i requisiti di progettazione nella tradizionale stampa 3D in metallo
La progettazione di parti stampate in 3D con supporti è stato un approccio standard alla produzione additiva (AM). Il numero, le dimensioni e la posizione dei supporti sono determinati da una serie di fattori:
Le sollecitazioni residue durante la stampa possono causare la deformazione del modello 3D. È possibile aggiungere supporti per prevenire fisicamente questa deformazione;
L'interruzione del ricopertore che interessa la struttura intermedia della parte può far vibrare la parte o causare danni, con conseguente esito negativo del lavoro. Le staffe sono utilizzate per proteggere le parti da qualsiasi influenza del ricopertore;
Il trasferimento di calore attraverso i supporti consente alle parti di raffreddarsi e formarsi più velocemente e con maggiore successo durante il processo di costruzione.
Per garantire che una stampante 3D costruisca e produca con successo parti, è necessario considerare una serie di motivi che influiscono sulla progettazione del supporto, tra cui:
L'orientamento della parte determina quanta parte della parte deve essere supportata. In genere, se le parti sono orientate in modo tale che una superficie maggiore non sia sulla piastra di costruzione, è necessario un maggiore supporto per compensare i fattori di cui sopra.
Si ritiene generalmente che sbalzi di 45 gradi o meno richiedano strutture di supporto.
Canali e fori possono deformarsi senza supporto, a seconda della loro dimensione e se sono orientati in modo inefficace.
Progettazione del modello
Armato della giusta esperienza e capacità creative di risoluzione dei problemi, il team di EOS ha sviluppato con successo nuovi modi per progettare e costruire modelli, infrangendo il concetto preconcetto di "basse cadute devono aggiungere supporto", con risultati eccellenti. La girante utilizzata in questo articolo per dimostrare la struttura non supportata e le capacità del processo DMLS è stata progettata da EOS Additive Minds con un diametro di 150 mm con 12 pale con angoli di sbalzo fino a 10 gradi.
Direzione di inclinazione dell'asta e struttura di supporto
Le giranti sono solitamente stampate con orientamento inclinato per evitare supporti interni poiché sono difficili da rimuovere. Tuttavia, questo orientamento si traduce in genere in tempi di costruzione più lunghi, qualità della superficie irregolare e la rotondità della parte ne risente. L'orientamento planare offre numerosi vantaggi, come tempi di costruzione più brevi, migliore rotondità e precisione e una qualità della superficie più uniforme su tutta la parte. Tuttavia, gli sbalzi bassi di solito richiedono molto supporto. Per l'attuale processo DMLS, è necessario supportare maggiori sporgenze inferiori a 35 gradi. I supporti sono necessari per dissipare il calore dal bagno fuso per compensare le forze di ricopertura e lo stress delle parti interne.
Ottimizzazione del design non supportata
EOS riduce significativamente la necessità di aggiungere supporto interno sfruttando tecniche avanzate di progettazione del modello. L'ottimizzazione del design del processo di produzione additiva è anche un altro aspetto importante legato al successo della stampa. Sebbene il supporto interno possa essere evitato principalmente attraverso l'uso di strategie di esposizione adeguate, spesso sono ancora necessarie strutture di supporto esterne.
Nel caso della girante di questo articolo, invece di utilizzare un riempimento pieno, la parte inferiore della parte è stata modificata utilizzando archi autoportanti e pareti sottili per garantire un forte collegamento della piattaforma ed evitare deformazioni durante la costruzione. Ciò consente l'uso di meno materiale rispetto agli stent convenzionali, fornendo al contempo un'elevata resistenza e una migliore lavorabilità. Il diametro esterno della girante è chiuso per conferire maggiore rigidità al pezzo in fase di costruzione e per prevenire la perdita di precisione geometrica sul bordo di uscita. Per questa girante, un design avanzato consente una riduzione del materiale del 15%, pur essendo ottimizzato per la macchina e autoportante, senza supporto interno.
Ottimizzazione dei processi
La girante è costruita utilizzando il cosiddetto metodo DownSkin ad alta energia (il tipo di esposizione utilizzato per costruire superfici a sbalzo). In sostanza, questo metodo aumenta l'input di densità di energia dell'esposizione DownSkin aumentando la potenza del laser e regolando altri parametri DownSkin. Ciò produce un pool di fusione più grande ma più stabile, specialmente quando si costruiscono sporgenze su polveri sciolte. Questo metodo è stato utilizzato con successo per molti materiali spesso utilizzati per realizzare le giranti (es. Ti64, 316L, AlSi10Mg, In718, ecc.).
Pertanto, è possibile garantire che tutti gli angoli critici possano trarre vantaggio da questo parametro ottimizzato. A differenza di altre tecnologie non supportate, l'approccio DownSkin ad alta energia non sacrifica la velocità di costruzione e quindi il business case per evitare il supporto.
In assenza di contromisure, il metodo DownSkin ad alta energia può causare parti sovradimensionate nella direzione z nella regione DownSkin a causa del bagno di saldatura profondo. Le parti possono essere regolate alla giusta dimensione mediante post-elaborazione o modificando il design. DownSkin è anche relativamente ruvido, ma la rugosità è uniforme, il che aiuta con le tecniche di finitura superficiale sfusa come la lavorazione a flusso abrasivo. Inoltre, non c'è quasi nessuna porosità (vedi immagine sotto), la porosità è limitata a DownSkin. Pertanto, le proprietà meccaniche complessive non vengono influenzate e puoi comunque fare affidamento sul processo InFill di alta qualità sviluppato da EOS. Pertanto, non è necessario nemmeno un processo secondario come la pressatura isostatica a caldo per ottenere proprietà meccaniche sufficienti.
Post-elaborazione (lavorazione a flusso abrasivo, metalli AM)
La lavorazione a flusso abrasivo è una tecnica di finitura superficiale comune utilizzata per applicazioni relative al flusso e geometrie interne. Il mezzo abrasivo viene spinto attraverso la parte trattenuta nell'attrezzatura. Le particelle abrasive nel materiale macinano e lucidano la superficie lungo il percorso del flusso. Come preparazione per la finitura della superficie interna, il diametro esterno chiuso deve essere lavorato in un punto aperto, il diametro e l'altezza della parte devono essere adattati all'attrezzatura per il processo AFM. Dopo la prelavorazione, il pezzo viene bloccato e il materiale abrasivo viene spinto attraverso il pezzo con l'aiuto del morsetto. Dopo il processo AFM, la girante viene lavorata alla dimensione finale.
La parte finale trattata con Abrasive Flow Machining (AFM)
Con il continuo progresso della tecnologia di stampa 3D, le parti in metallo stampate in 3D continueranno a svilupparsi verso il mercato del consumatore finale.