Quale è più adatto per la stampa 3D in metallo, l'aspirapolvere o la pulizia con flusso d'aria?

一, La tecnologia dell'aspirazione: la base fisica del processo EBM
1. Principale modo in cui funziona
Nella tecnologia Electron Beam Melting (EBM), i fasci di elettroni ad alta-energia fondono le polveri metalliche uno strato alla volta sotto vuoto. Il suo sistema di aspirazione svolge tre funzioni principali:
Garanzia del percorso del fascio di elettroni: In un vuoto spinto di 4 × 10 ⁻¹ Pa, il percorso libero medio del fascio di elettroni può raggiungere decine di metri. Ciò impedisce la perdita di energia quando il raggio colpisce le molecole di gas e garantisce che il bagno di fusione abbia una precisione di ± 0,2 mm.
Prevenire l'ossidazione dei materiali: sotto vuoto, il tasso di ossidazione dei materiali attivi come la lega di titanio (Ti6Al4V) diminuisce del 99,7% e il tasso di recupero della polvere aumenta dal 75% nel metodo SLM al 92%. Il costo di stampa di una pagina diminuisce del 30%.
Migliore effetto di degasaggio: l'ambiente sotto vuoto riduce dell'80% la solubilità del gas nel bagno di fusione e la porosità dallo 0,5% di SLM allo 0,02%, aumentando notevolmente la durata a fatica delle parti.
2. Pianificare la messa in uso dell'attrezzatura
Ad esempio, il sistema EBM di Pfeiffer Vacuum in Germania utilizza un'architettura del vuoto a tre-livelli:
La pompa Roots e la pompa rotativa a palette lavorano insieme per fornire un pompaggio energico, abbassando la pressione nella camera dalla pressione atmosferica a 10⁻¹ Pa in soli 3 minuti.
Gruppo di pompe per alto vuoto: la pompa molecolare e la pompa di sublimazione del titanio funzionano insieme per generare un vuoto di 5 × 10⁻⁵ Pa, che rappresenta il massimo fabbisogno EBM per la stabilità del fascio di elettroni.
Sistema per la ricerca di perdite: il rilevatore di perdite con spettrometro di massa ad elio tiene d'occhio la tenuta della camera in tempo reale e mantiene il tasso di perdita cumulativo al di sotto di 1 × 10⁻⁹ Pa · m³/s per mantenere stabile il processo di stampa per un lungo periodo.
3. Limiti del processo
Ci sono essenzialmente tre modi in cui la pulizia dell'aspirapolvere è limitata:
I costi delle apparecchiature sono elevati: i sistemi ad alto vuoto rappresentano fino al 40% del costo totale delle apparecchiature EBM e le spese di manutenzione sono 2,3 volte maggiori rispetto alle procedure SLM.
Adattabilità limitata del materiale: funziona solo con il processo di fusione a fascio di elettroni e non con tecnologie di fusione laser come SLM.
Limitazione del ciclo di produzione: il pompaggio del vuoto occupa il 25% del ciclo di produzione del singolo pezzo, il che lo rende molto meno efficiente quando si producono grandi quantità.
2, Tecnologia di pulizia del flusso d'aria: un grande passo avanti nel processo LPBF
1. Nuove idee nella tecnologia
EOS ha prodotto AirSword per grandi macchine LPBF (fusione laser a letto di polvere). Il sistema di gestione del flusso d'aria apporta tre grandi miglioramenti ottimizzando la fluidodinamica:
Design di laminarizzazione: utilizzando un mix di canali raddrizzatori e alette di guida dell'aria, la deviazione standard della velocità del flusso d'aria viene ridotta dai soliti 1,2 m/s a 0,3 m/s, eliminando la zona di vortice all'interno della cavità.
Controllo termodinamico: le alette hanno al loro interno un liquido di raffreddamento circolante che impedisce alla temperatura del flusso d'aria di variare di oltre 5 gradi Celsius. Ciò impedisce alla polvere di aggregarsi a causa dello stress termico.
Accoppiamento di molti campi fisici: è stata utilizzata una simulazione CFD per migliorare la struttura del condotto dell'aria, che ha portato a un'efficacia di rimozione di fumo e polvere del 98,7% in un'area dell'edificio di 1,5 m × 1,5 m. Questo è migliore del 42% rispetto al vecchio metodo di ventilazione incrociata.
2. Esempi di implementazione ingegneristica
Quando si utilizza l'apparecchiatura AMCM M8K, il sistema AirSword™ presenta numerosi vantaggi:
Protezione per il sistema ottico: la trasmittanza della lente protettiva rimane al 99,2% anche dopo 200 ore di stampa continua. Ciò significa che il ciclo di manutenzione dura cinque volte di più rispetto alle soluzioni standard.
Migliore utilizzo della polvere: il livello di ossigeno nella camera viene mantenuto stabile al di sotto di 50 ppm, il che riduce il tasso di ossidazione della polvere di lega a base di nichel-dallo 0,8% allo 0,15%.
Una svolta nella quantità di cose che possiamo realizzare: il tempo del ciclo di stampa per realizzare parti strutturali aeronautiche di 1 m 1 m 0,5 m è stato ridotto a 72 ore, ovvero il 35% più veloce rispetto al metodo del vuoto.
3. Limiti tecnici
L'uso della pulizia del flusso d'aria è limitato dai seguenti fattori:
Limitazione dell'attività del materiale: per i materiali molto sensibili all'ossidazione, come le leghe di titanio, è necessaria la protezione con un gas inerte (come l'argon pressione parziale 99,999%), il che aumenta i costi operativi.
Requisiti per le apparecchiature di sigillatura: per evitare che particelle esterne entrino e interferiscano con il flusso d'aria, il sistema di condotti dell'aria deve avere un grado di protezione IP67.
Limite di dimensione per gli edifici: se l'area dell'edificio è superiore a 2 m 2 m e la lunghezza del canale del flusso d'aria è superiore al valore critico della meccanica dei fluidi, è necessaria una progettazione del campo eolico indipendente e partizionato.
3, Matrice decisionale per l'adattabilità del processo
Dimensione di valutazione: tecnologia di pulizia del flusso d'aria, tecnologia di pulizia con aspirazione
Processo utilizzabile Fusione a fascio di elettroni (EBM) e fusione a letto di polvere laser (LPBF)
Adattabilità dei materiali: materiali attivi, come leghe di titanio e leghe di cromo-cobalto, e materiali normali, come leghe di alluminio e acciaio inossidabile
La dimensione dell'edificio deve essere compresa tra 0,35 m 0,35 m 0,38 m e 1 m 1 m 0,5 m (può essere ingrandita).
Costo elevato delle attrezzature (40% del costo totale delle attrezzature)
Efficienza produttiva bassa (25% di utilizzo dell'aspirapolvere) ed alta (capacità di funzionare continuamente)
Alcuni luoghi comuni in cui vengono utilizzati sono le pale delle turbine dei motori degli aerei, gli impianti medici, le grandi parti strutturali degli aeroplani e gli stampi delle automobili.