Indirekte Herstellung von Lattice Metals mit Dünnschliffen Mit Schleuderguss
14. Mai 2016
Ein indirektes additive Herstellungsverfahren eine 3D-Druck von Polymeren mit einer Schleuderguss Kombination zum Herstellen 3D-Oktett-Gerippe Metalle (Al und Cu-Legierungen) mit einer Einheitszellenlänge von 5 mm mit einer Wanddicke von 0,5 mm beschrieben.
Das übergeordnete Ziel dieses Videos besteht darin, den Vorgang des Befüllens einer zellulären Mikrokavität mit geschmolzenem Metall zur Herstellung von Gittermetallen durch Zentrifugalgießen zu demonstrieren. Diese Darstellung kann helfen, zentrale Fragen zu beantworten, beispielsweise wie die Prozessparameter, die Materialeigenschaften des geschmolzenen Metalls und die Geometrie des Gitterformhohlraums mit dem Fließverhalten und der Erstarrung beim schnellen Mikrogiessen verknüpft sind. Diese Technik ergänzt das direkte 3D-Drucken massiver Metalle bei der Herstellung von Gittermetallen und erweitert die Materialauswahl im Konstruktionsraum für Gittermetalle.
Heute werde ich das Verfahren gemeinsam mit der Doktorandin Jiwon Mun demonstrieren. Zeichnen Sie zur Vorbereitung ein Opfermuster einer Octet-Truss-Struktur mit einem Angusssystem mithilfe einer computergestützten Konstruktionssoftware. Dieses integrierte Muster aus einer Octet-Truss-Struktur mit Angusssystem wird während des Gießens aufgeschmolzen.
Notieren Sie mithilfe der CAD-Software das Volumen des opfern zu opfernden Musters, um die erforderliche Metallmasse zu berechnen. Nach dem Drucken des Acrylmodells wird mit dem Gießprozess fortgefahren, der im Textprotokoll beschrieben ist. Der nächste Schritt ist das Ausschmelzen des Stützmaterials.
Danach wird der Rückstand des Stützmaterials weiter entfernt. Anschließend wird das Muster zusammengesetzt. Nach dessen Zusammenbau erfolgt ein Vermischungsprozess der Aufgussmasse.
Stellen Sie sicher, dass alle Klumpen in der Gips-Wasser-Mischung entfernt werden. Danach folgt der Ausbrandprozess. Zunächst stellen Sie die Zeit im Ofen gemäß dem Aufheiz- und Abkühlplan ein.
Für einen Kolben dieser Größe dauert die Ausbrennphase sechs Stunden. Schalten Sie nun den Ofen ein und starten Sie den Ausbrennzyklus. Während des Ausbrennens schmilzt das Opfermodell und zerfällt in ein Gas.
Fahren Sie nun mit dem Gießverfahren fort, das in den nächsten beiden Abschnitten beschrieben wird. Stellen Sie vor Beginn sicher, dass sich der Arm der Zentrifugalgießmaschine mit einer Winkelgeschwindigkeit von 425 U/min dreht. Ermitteln Sie mithilfe eines Drehzahlmessgeräts die Einstellung, die diese Geschwindigkeit ermöglicht.
Wählen Sie einen keramischen Tiegel, um jede Legierung zu schmelzen. Zerschneiden Sie die Legierungen mit einem Metallschneider in Stücke von 10 bis 20 Millimeter. Zerkleinern Sie etwa 150 Gramm jeder Legierung, in diesem Fall Aluminium und Kupfer.
Wiegen Sie nun die genaue Masse jeder Legierung ab, die für das Gitterdesign benötigt wird. Der Formhohlraum muss exakt bis zur Kapazitätsgrenze mit geschmolzener Legierung gefüllt werden. Bereiten Sie nun einen Eimer mit Wasser bei Raumtemperatur vor.
30 Liter sind ausreichend. Anschließend flammhemmende Kleidung anziehen und Handschuhe sowie Schutzbrille anlegen. Danach die Gipsform vorübergehend aus dem Ofen nehmen.
Platzieren Sie es in die Kolbenhalterung der Zentrifugalgussmaschine und balancieren Sie den Arm der Zentrifuge aus. Danach stellen Sie die Gipsform wieder in den Ofen zurück und beginnen, die Maschine auf 482 Grad Celsius aufzuheizen. In der Zwischenzeit platzieren Sie den Tiegel in der Tigelhalterung und füllen die zerkleinerte Legierung in den Tiegel ein.
Als Nächstes richten Sie die Acetylenbrenner ein. Öffnen Sie das Ventil des angeschlossenen Sauerstofftanks und halten Sie den Gasdruck bei etwa 96,5 Kilopascal oder 14 PSI. Zünden Sie dann den Brenner vorsichtig an und regulieren Sie die Flammenintensität über den Gasdruck.
Seien Sie sehr vorsichtig. Die Flamme erreicht bis zu 1.200 Grad Celsius. Schmelzen Sie nun vorsichtig die gehackte Legierung im Tiegel, bis sie vollständig verflüssigt ist.
Verwenden Sie eine Kohlenstoffstange, um die Legierung zu rühren, und schmelzen Sie sie mit dem neutralen Teil der Flamme des Brenners. Das korrekte Schmelzen des Metalls ist entscheidend, da das Metall, wenn es zu kalt ist, die gesamte Form nicht vollständig ausfüllen wird. Ist es hingegen zu heiß, führt die zunehmende Porosität zu strukturellen Problemen.
Nehmen Sie nun die vorgeheizte Gipsform aus dem Ofen und laden Sie sie in den Haltearm des Flaschenständers neben dem Tiegel mit der geschmolzenen Legierung. Schließen Sie die Abdeckung der Maschine und lassen Sie den Arm mindestens drei Minuten lang rotieren. Die Maschine beginnt automatisch mit dem Drehen, sobald die Abdeckung geschlossen ist.
Etwa 420 U/min erzeugen eine Einlassgeschwindigkeit in der Formhöhle von 8,03 Metern pro Sekunde, wie durch die makroskopische Teilchendynamik und die Winkelgeschwindigkeit berechnet. Nach drei Minuten schalten Sie die Stromzufuhr zur Zentrifugalgießmaschine aus. Öffnen Sie dann die Abdeckung und nehmen Sie mithilfe einer Zange die Gipsform aus dem Formkastenhalter heraus.
Lassen Sie die Form bei Raumtemperatur 15 bis 20 Minuten abkühlen, bis die Farbe der Legierung wieder der ihres festen Zustands entspricht. Anschließend kühlen Sie die Gipsform mit Zangen für etwa fünf Minuten im Wasserbehälter ab. Wenn die Form nahe der Raumtemperatur ist, wurde sie vollständig abgeschreckt.
Um nun das Gittermetall innerhalb der Form zu erhalten, lösen Sie die Form einfach in Wasser auf. Die Jibsen-Form löst sich innerhalb von zwei Minuten leicht auf. Nachbearbeitungsschritte sind nun möglich, wie beispielsweise das Reinigen durch Sandstrahlen, das im Textprotokoll beschrieben ist.
Stellen Sie sicher, dass der beschriebene Sandstrahldruck verwendet wird, da die Formen etwas zerbrechlich sind, insbesondere der Aluminium-Okett-Träger, der dünne Wände aufweist. Mithilfe der im Protokollabschnitt beschriebenen indirekten additiven Fertigung wurden Aluminium- und Kupferlegierungen zur Herstellung von Okett-Träger-Metallen verwendet. Der Ausbrennprozess wurde sechs Stunden lang durchgeführt, um das Opfermuster zu schmelzen.
Nach dem Zentrifugalgussprozess waren die Endprodukte aus Aluminium- und Kupferlegierungen bestehende Octet-Trägerstrukturen. Die geschmolzene Aluminiumlegierung füllte den gesamten Gitterformhohlraum vollständig aus, ohne dass ein Unterguss auftrat. Die geschmolzene Kupferlegierung wies hingegen einen Gussfehler auf, der durch vorzeitige Erstarrung im frühen Stadium der Einspritzung des geschmolzenen Metalls am Einlass verursacht wurde.
Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis für den Einfluss von Prozessparametern auf das Füllen von geschmolzenem Metall in zelluläre Mikrohohlräume sowie für die indirekte Herstellung von Metallgittern mittels Zentrifugalgießen haben. Nach ihrer Entwicklung ebnete diese Technik den Weg für Forscher im Bereich der Metallgitter, die indirekte Herstellung zu erforschen, indem sie den 3D-Druck von Polymeren mit dem Zentrifugalgießen kombinierten.
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Übersicht
In diesem Artikel wird ein indirektes additives Fertigungsverfahren beschrieben, das den 3D-Druck von Polymeren mit dem Zentrifugalgießen kombiniert, um dreidimensionale Metallgitterstrukturen vom Octet-Truss-Typ herzustellen. Das Verfahren konzentriert sich auf die Herstellung von Aluminium- und Kupferlegierungen mit bestimmten Abmessungen.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Materialwissenschaften
- Additive Fertigung
- Metallurgie
Hintergrund
- Die Studie untersucht die Herstellung von Gittermetallen mithilfe fortschrittlicher Fertigungstechniken.
- Sie unterstreicht die Bedeutung von Prozessparametern und Materialeigenschaften beim Metallguss.
- Die Kombination von 3D-Druck mit Zentrifugalgießen erweitert die Gestaltungsmöglichkeiten.
- Das Verständnis von Strömung und Erstarrung beim Mikrogiessen ist entscheidend für eine erfolgreiche Herstellung.
Zweck der Studie
- Den Prozess der Befüllung eines zellulären Mikrohohlraums mit geschmolzenem Metall demonstrieren.
- Die Korrelation zwischen Prozessparametern und Materialeigenschaften untersuchen.
- Die Herstellung von Metallgittern durch innovative Techniken verbessern.
Verwendete Methoden
- Verwendung von Software für computergestütztes Design zur Erstellung von opferbaren Mustern.
- 3D-Druck von Polymerformen zum Gießen.
- Zentrifugalgießen von geschmolzenen Metallen in die konstruierten Formen.
- Analyse der Strömungs- und Erstarrungsdynamik während des Gießprozesses.
Hauptergebnisse
- Erfolgreiche Demonstration des Befüllens von Mikrohohlräumen mit geschmolzenem Metall.
- Identifizierung der Schlüsselparameter, die den Gießprozess beeinflussen.
- Erweiterung der Materialauswahl für die Konstruktion metallischer Gitterstrukturen.
- Validierung der integrierten Fertigungstechnik.
Schlussfolgerungen
- Die kombinierte Methode verbessert die Herstellung komplexer Gitterstrukturen.
- Prozessparameter beeinflussen maßgeblich die Qualität des Endprodukts.
- Dieser Ansatz eröffnet neue Möglichkeiten für das Materialdesign im additiven Fertigungsverfahren.
Häufig gestellte Fragen
Aussagekräftige Relevanz für die Industrie
Dieser indirekte Ansatz der additiven Fertigung ermöglicht die kostengünstige Herstellung komplexer metallischer Gitterstrukturen und behebt Einschränkungen des direkten metallischen 3D-Drucks wie hohe Kosten und Materialbeschränkungen. Durch die Kombination von 3D-gedruckten opfern Opferformen mit zentrifugalem Gießen erweitert das Verfahren die Auswahl an verarbeitbaren Materialien und unterstützt das schnelle Prototyping leichter Strukturen. Es bietet einen skalierbaren Weg für die frühe Bewertung von Gittergeometrien in Workflows zur Materialentdeckung.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die Untersuchung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen in Gitterarchitekturen für die biomimetische Materialentwicklung.
- Operativer Wert: Unterstützt die schnelle Iteration von Gittergeometrien mittels Polymerdruck, bevor Metall verwendet wird.
Screening und Assay-Entwicklung
- Wissenschaftlicher Wert: Erzeugt reproduzierbare Gittermetallproben mit kontrollierter Wanddicke und definierten Zellenabmessungen für mechanische Prüfungen.
- Operativer Wert: Standardisiert die Probenpräparation durch präzise Berechnung des Volumens des opferbereiten Musters und der Parameter des Zentrifugalgießverfahrens.
Translationale und präklinische Forschung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die Bewertung von Gitterstrukturen aus Aluminium- und Kupferlegierungen hinsichtlich ihrer potenziellen Verwendung in implantierbaren Anwendungen oder Geräten.
- Operativer Wert: Ermöglicht die Beurteilung von Gussfehlern, die auf vorzeitige Erstarrung zurückzuführen sind, und unterstützt so die Prozessoptimierung für eine zuverlässige Übertragung in die Praxis.
Pipeline- und Workflow-Integration
Die Methode integriert sich in Workflows vom frühen Screening bis zur präklinischen Phase, indem sie eine Brücke zwischen digitalem Design und physikalischer Validierung von Gittermetall-Prototypen schlägt.
- Entdeckungsbiologie: Unterstützt die Hypothesenprüfung dazu, wie das Gittergeometrie die mechanische Antwort in simulierten physiologischen Umgebungen beeinflusst.
- Screening: Liefert quantifizierbare Ergebnisse wie Maßhaltigkeit und Fehlerbildung unter kontrollierten Prozessparametern.
- Analytik: Ermöglicht die Korrelation von Zentrifugalgeschwindigkeit (425 U/min), Schmelztemperatur (482 °C), Strömungsgeschwindigkeit (8,03 m/s) mit dem Gießerfolg.
- Translationale Forschung: Unterstreicht materialspezifische Herausforderungen, wie die vorzeitige Erstarrung von Kupferlegierungen, die für die Risikobewertung in der Geräteentwicklung entscheidend sind.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Schafft eine wiederverwendbare Plattform, bei der opfertechnische Muster für verschiedene Gittersysteme neu gestaltet werden können, ohne die kerntechnische Gießinfrastruktur zu verändern.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Verringert die mechanistische Mehrdeutigkeit bei der Verknüpfung von Verarbeitungsparametern mit der endgültigen Gitterintegrität.
- Operativer Wert: Verbessert die Reproduzierbarkeit durch identifizierbare Schritte: Volumenmessung des Musters, sechsstündige Ausheizung und kontrolliertes Abschrecken.
- Strategischer Wert: Senkt die finanziellen Hürden für die Erforschung von Gittermetallen, da keine direkte Metall-AM-Ausrüstung benötigt wird.
- Portfolio-Wirkung: Ermöglicht Ja/Nein-Entscheidungen bezüglich Gitter-Materialsysteme basierend auf dem Gießergebnis und der strukturellen Genauigkeit.
Durchführungsüberlegungen
- Erfordert Fachkenntnisse in CAD-Konstruktion, polymerem 3D-Druck und Sicherheitsprotokollen für Metallguss.
- Benötigt Zugang zu einer zentrifugalen Gießanlage mit einer Drehzahl von 425 U/min, Öfen zur Ausheizung bei 482 °C und das Schmelzen von Metall mittels Acetylenbrenner.
- Setzt eine Standardisierung der Keramikschlammerstellung und der Ausheizrampen zwischen den Teams voraus, um die Formintegrität sicherzustellen.
- Erfordert eine Anpassung der Prozessparameter bei Änderung der Gittergeometrie oder des Legierungssystems (z. B. Al gegenüber Cu).
- Ist durch die Formzerbrechlichkeit während der Nachbearbeitung begrenzt, insbesondere bei dünnwandigen Aluminiumgittern, die sandgestrahlt werden müssen, und zwar bei niedrigem Druck.
