与超薄切片格金属制造间接使用离心铸造
2016年5月14日
间接添加剂的制造方法的聚合物的三维打印组合用离心铸造概述为具有0.5mm的壁厚5mm的单元电池的长度制造三维八角体桁架金属（Al和Cu合金）。
本视频的总体目标是演示用熔融金属填充蜂窝微腔以通过离心铸造制造晶格金属的过程。此信息有助于回答关键问题，例如，工艺参数、熔融金属的材料特性和晶格模腔的几何形状如何与快速微铸造中的流动和凝固相关联。该技术补充了直接 3D 打印大量金属，用于制造晶格金属，并扩大了晶格金属设计空间中的材料选择。
今天，我将与博士生 Jiwon Mun 一起演示该程序。在准备过程中，使用计算机辅助设计软件通过浇口系统绘制八位字节桁架结构的牺牲图案。这种八位字节桁架结构与浇口系统的集成模式在铸造过程中会熔化。
使用 CAD 软件，记录牺牲模型的体积以计算所需的金属质量。打印亚克力模型后，继续进行铸造过程，文本协议中有详细说明。下一步是熔化支撑材料。
在此之后，进一步去除支撑材料的残留物。然后，组装模式。组装后，执行熔模混合过程。
确保去除包埋水混合物中的所有结块。接下来是倦怠过程。首先，根据加热和冷却时间表在炉子上设置时间。
对于这种大小的烧瓶，燃尽需要 6 小时。现在，打开炉子并开始燃尽计划。在倦怠期间，牺牲模式熔化并解离成气体。
现在，请继续接下来两节中描述的强制转换过程。在开始之前，确保离心铸造机的臂以 425 RPM 的角速度旋转。使用转速计找到此速度所需的设置。
选择陶瓷坩埚来熔化每种合金。使用金属刀具，将合金切成 10 毫米到 20 毫米的小块。将每种合金切碎约 150 克，在本例中为铝和铜。
现在，称量出晶格设计所需的每种合金的精确质量。模型型腔必须用熔融合金精确填充至满负荷。现在，准备好一桶室温下的水。
30 升就足够了。接下来，穿上阻燃衣服，戴上手套和护目镜。现在，将石膏模具暂时从炉中取出。
将其放入离心铸造机的烧瓶支架中，并平衡离心机的臂。然后，将石膏模具放回炉中，并开始将机器加热到 482 摄氏度。同时，将坩埚放入坩埚支架中，然后将短切合金装入坩埚中。
接下来，设置乙炔火炬。打开连接的氧气罐的阀门，并将气压保持在 96.5 千帕或 14 PSI 附近。然后，小心地点燃火炬并用气压控制火焰的强度。
要非常小心。火焰最高可达 1， 200 摄氏度。现在，小心地在坩埚中熔化短切的合金，直到它完全液化。
使用碳棒搅拌合金，并与火炬火焰的中性部分熔化。金属的正确熔化至关重要，因为如果金属太冷，它将无法填充整个形式。但是，如果天气太热，孔隙率的增加将导致结构问题。
现在，从炉中取出预热的石膏模具，并将其装入装有熔融合金的坩埚旁边的烧瓶支架支架中。合上机器盖，让机械臂旋转至少 3 分钟。当盖子关闭时，机器会自动开始旋转。
大约 420 RPM 在模腔处产生每秒 8.03 米的入口速度，这是根据宏观粒子动力学和角速度计算得出的。三分钟后，切断离心铸造机的电源。然后，打开盖子，用钳子从烧瓶支架中取出石膏模具。
让模具在室温下冷却 15 到 20 分钟，直到合金的颜色恢复到固相的颜色。然后，使用钳子将水桶中的石膏模具淬火约五分钟。当模具接近室温时，它被完全淬火。
现在，要获得模具内的晶格金属，只需将模具溶解在水中即可。Jibsen 模具很容易在两分钟内溶解。现在可以进行后处理，例如通过喷砂进行清洁，这在文本协议中进行了描述。
请务必使用所述喷砂压力，因为模具有些脆弱，尤其是壁薄的铝制八位字节桁架。使用协议部分中描述的间接增材制造，铝和铜合金用于制造八位字节桁架金属。燃尽过程进行了 6 小时以融化牺牲模式。
离心铸造工艺后，最终产品是用铝和铜合金制成的八位字节桁架金属。熔融的铝合金完全填充了整个晶格模具型腔，没有失跑。另一方面，熔融铜合金似乎在入口注入熔融金属的早期出现过早凝固引起的铸造缺陷。
看完这个视频后，您应该对工艺参数对熔融金属填充到多孔微腔中的影响有了很好的了解，使用离心铸造间接制造晶格金属。开发后，这项技术为晶格金属领域的研究人员通过将聚合物的 3D 打印与离心铸造相结合来探索间接制造铺平了道路。
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概览
本文概述了一种间接增材制造方法，该方法结合了聚合物的3D打印和离心铸造，以创建3D八面体桁架金属。该过程专注于制造具有特定尺寸的铝和铜合金。
关键研究组成部分
科学领域
- 材料科学
- 增材制造
- 冶金学
背景
- 该研究探索了使用先进制造技术来制造晶格金属。
- 它强调了工艺参数和材料特性在金属铸造中的重要性。
- 3D打印与离心铸造的集成扩大了设计可能性。
- 理解微铸造中的流动和凝固对于成功制造至关重要。
研究目的
- 展示用熔融金属填充细胞微腔的过程。
- 调查工艺参数和材料特性之间的相关性。
- 通过创新技术增强晶格金属的制造。
使用的方法
- 利用计算机辅助设计软件创建牺牲模型。
- 3D打印用于铸造的聚合物模具。
- 将熔融金属通过离心铸造铸入设计好的模具中。
- 分析铸造过程中的流动和凝固动态。
主要结果
- 成功展示了用熔融金属填充微腔。
- 确定了影响铸造过程的关键参数。
- 扩展了晶格金属设计的材料选择。
- 验证了集成制造技术。
结论
- 结合的方法增强了复杂晶格结构的制造。
- 工艺参数显著影响最终产品的质量。
- 这种方法为增材制造中的材料设计开辟了新的途径。
常见问题
Executive Industry Relevance
This indirect additive manufacturing approach enables cost-effective production of complex lattice metals, addressing limitations of direct metal AM such as high cost and material constraints. By combining 3D-printed sacrificial patterns with centrifugal casting, the method expands material selection and supports rapid prototyping of lightweight structures. It provides a scalable pathway for early-stage evaluation of lattice geometries in materials discovery workflows.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of structure-property relationships in lattice architectures for biomimetic material design.
- Operational Value: Supports rapid iteration of lattice geometries using polymer printing before metal commitment.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Produces reproducible lattice metal samples with controlled wall thickness and unit cell dimensions for mechanical testing.
- Operational Value: Standardizes sample preparation via precise sacrificial pattern volume calculation and centrifugal casting parameters.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Facilitates evaluation of aluminum and copper alloy lattice systems for potential use in implantable or device applications.
- Operational Value: Enables assessment of casting defects related to premature solidification, informing process optimization for translational reliability.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within early discovery to preclinical workflows by providing a bridge between digital design and physical validation of lattice metal prototypes.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing on how lattice geometry influences mechanical response in simulated physiological environments.
- Screening: Delivers quantifiable outputs such as dimensional fidelity and defect formation under controlled process parameters.
- Analytics: Enables correlation of centrifugal speed (425 RPM), melt temperature (482°C), and flow velocity (8.03 m/s) with casting success.
- Translational Research: Highlights material-specific challenges, such as copper alloy premature solidification, critical for risk assessment in device development.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable platform where sacrificial patterns can be redesigned for different lattice systems without changing core casting infrastructure.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity in linking processing parameters to final lattice integrity.
- Operational Value: Improves reproducibility through idazable steps: pattern volume measurement, six-hour burnout, and controlled quenching.
- Strategic Value: Lowers capital barrier to lattice metal exploration by avoiding direct metal AM equipment.
- Portfolio Impact: Enables go/no-go decisions on lattice material systems based on casting success and structural fidelity.
Implementation Considerations
- Requires expertise in CAD design, polymer 3D printing, and metal casting safety protocols.
- Needs access to centrifugal casting capable of 425 RPM, furnaces for burnout at 482°C, and metal melting via acetylene torch.
- Demands standardization of investment mixing and burnout schedules across teams to ensure mold integrity.
- Requires adaptation of process parameters when changing lattice geometry or alloy system (e.g., Al vs Cu).
- Limited by mold fragility during post-processing, particularly for thin-walled aluminum lattices requiring low-pressure sandblasting.
