Fabrication indirecte de Lattice Metals avec sections minces utilisant Coulée centrifuge
14 mai 2016
Un procédé de fabrication d'un additif indirect combinant une impression en 3D de polymères avec une coulée centrifuge est décrite pour la fabrication de métaux en treillis d'octets 3D (Al et alliages de Cu) ayant une longueur de maille de 5 mm, avec une épaisseur de paroi de 0,5 mm.
L'objectif général de cette vidéo est de démontrer le processus de remplissage d'une microcavité cellulaire avec un métal en fusion pour la fabrication de métaux en treillis par moulage centrifuge. Ce contenu peut aider à répondre à des questions clés, telles que la manière dont les paramètres du procédé, les propriétés matérielles du métal en fusion et la géométrie de la cavité du moule en treillis sont corrélés avec l'écoulement et la solidification lors du micro-moulage rapide. Cette technique complète l'impression 3D directe massive de métaux dans la fabrication de métaux en treillis, et élargit le choix des matériaux dans l'espace de conception des métaux en treillis.
Aujourd'hui, je vais démontrer la procédure avec l'étudiante au doctorat Jiwon Mun. En préparation, dessinez un motif sacrificiel d'une structure en treillis octet avec un système de canaux de coulée à l'aide d'un logiciel de conception assistée par ordinateur. Ce motif intégré d'une structure en treillis octet avec un système de canaux de coulée est fondu pendant le moulage.
À l'aide du logiciel de CAO, enregistrez le volume du modèle sacrificiel afin de calculer la masse métallique requise. Après avoir imprimé le modèle en acrylique, procédez au processus de coulée, décrit en détail dans le protocole textuel. L'étape suivante consiste à faire fondre le matériau de support.
Ensuite, le résidu de matériau de support est éliminé davantage. Puis, le modèle est assemblé. Après son assemblage, un processus de mélange de l’investissement est effectué.
Veillez à éliminer tous les grumeaux dans le mélange d'eau de coulage. Ensuite, vient le processus de calcination. Pour commencer, réglez le temps sur le four selon le programme de chauffage et de refroidissement.
Pour un creuset de cette taille, la dégazéification prendra six heures. Allumez maintenant le four et lancez le programme de dégazéification. Pendant la dégazéification, le modèle sacrificiel fond et se dissocie en un gaz.
Continuez maintenant avec le processus de coulée décrit dans les deux sections suivantes. Avant de commencer, assurez-vous que le bras de la machine de coulée centrifuge tourne à une vitesse angulaire de 425 tr/min. Déterminez le réglage nécessaire pour atteindre cette vitesse à l’aide d’un tachymètre.
Sélectionnez un creuset en céramique pour fondre chaque alliage. À l’aide d’un coupe-métaux, découpez les alliages en morceaux de 10 à 20 millimètres. Découpez environ 150 grammes de chaque alliage, qui sont dans ce cas de l’aluminium et du cuivre.
Maintenant, peser avec précision la masse de chaque alliage nécessaire à la conception du réseau. La cavité du moule doit être remplie exactement à sa capacité avec l'alliage en fusion. Préparez maintenant un seau d'eau à température ambiante.
30 litres suffisent. Ensuite, portez des vêtements ignifugés et mettez des gants et des lunettes de protection. Retirez maintenant temporairement le moule en plâtre du four.
Placez-le dans le berceau du flacon de la machine de coulée centrifuge et équilibrez le bras de la centrifugeuse. Ensuite, remettez le moule en plâtre dans le four et commencez à chauffer la machine à 482 degrés Celsius. Pendant ce temps, placez le creuset dans le porte-creuset et chargez l'alliage haché dans le creuset.
Ensuite, préparez le chalumeau à acétylène. Ouvrez le robinet de la bouteille d'oxygène connectée et maintenez la pression du gaz aux environs de 96,5 kilopascals ou 14 PSI. Ensuite, allumez soigneusement le chalumeau et réglez l'intensité de la flamme à l'aide de la pression du gaz.
Soit très prudent. La flamme atteint jusqu'à 1 200 degrés Celsius. Faites maintenant fondre soigneusement l'alliage haché dans le creuset jusqu'à ce qu'il soit complètement liquéfié.
Utilisez une tige en carbone pour remuer l'alliage et faites-le fondre avec la partie neutre de la flamme du chalumeau. La fusion correcte du métal est essentielle, car si le métal est trop froid, il ne remplira pas entièrement le moule. En revanche, s’il est trop chaud, la porosité croissante entraînera des problèmes structurels.
Maintenant, retirez le moule en plâtre préchauffé du four et insérez-le dans le bras support du berceau de flacon situé à côté du creuset contenant l'alliage fondu. Fermez le couvercle de l'appareil et laissez le bras tourner pendant au moins trois minutes. L'appareil commence à tourner automatiquement dès que le couvercle est fermé.
Environ 420 tr/min créent une vitesse d'entrée dans la cavité du moule de 8,03 mètres par seconde, calculée à partir de la dynamique macroscopique des particules et de la vitesse angulaire. Après trois minutes, couper l'alimentation de la machine de coulée centrifuge. Ensuite, ouvrir le couvercle et, à l'aide de pinces, retirer le moule en plâtre du berceau du creuset.
Laisser refroidir le moule à température ambiante pendant 15 à 20 minutes, jusqu'à ce que la couleur de l'alliage retrouve celle de sa phase solide. Ensuite, à l'aide de pinces, plonger le moule en plâtre dans le seau d'eau pendant environ cinq minutes. Lorsque le moule est proche de la température ambiante, il est complètement éteint.
À présent, pour obtenir le métal en treillis à l'intérieur du moule, il suffit de dissoudre le moule dans l'eau. Le moule Jibsen se dissout facilement en deux minutes. Un post-traitement est désormais possible, comme le nettoyage par sablage, décrit dans le protocole écrit.
Veillez à utiliser la pression de sablage décrite, car les moules sont relativement fragiles, en particulier la treillis en aluminium dont les parois sont fines. Grâce à la méthode de fabrication additive indirecte décrite dans la section du protocole, des alliages d'aluminium et de cuivre ont été utilisés pour fabriquer des métaux en treillis octet. Le procédé de dégazage a été réalisé pendant six heures afin de faire fondre le modèle sacrificiel.
Après le procédé de coulée centrifuge, les produits finaux étaient des métaux en treillis octet réalisés avec des alliages d'aluminium et de cuivre. L'alliage d'aluminium en fusion a complètement rempli toute la cavité du moule en treillis sans défaut de remplissage. En revanche, l'alliage de cuivre en fusion semblait présenter un défaut de coulée dû à une solidification prématurée au stade initial de l'injection du métal en fusion à l'entrée.
Après avoir visionné cette vidéo, vous devriez bien comprendre l'effet des paramètres du procédé sur le remplissage du métal en fusion dans des microcavités cellulaires, permettant ainsi la fabrication indirecte de métaux en treillis par coulée centrifuge. Depuis son développement, cette technique a ouvert la voie aux chercheurs dans le domaine des métaux en treillis pour explorer la fabrication indirecte, en combinant l'impression 3D de polymères avec la coulée centrifuge.
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Aperçu
Cet article décrit une méthode de fabrication additive indirecte qui combine l'impression 3D de polymères avec la coulée centrifuge pour créer des métaux en treillis octet en 3D. Le procédé se concentre sur la fabrication d'alliages d'aluminium et de cuivre ayant des dimensions spécifiques.
Composantes clés de l'étude
Domaine scientifique
- Science des matériaux
- Fabrication additive
- Métallurgie
Contexte
- L'étude explore la fabrication de métaux en réseau à l'aide de techniques de fabrication avancées.
- Elle souligne l'importance des paramètres du processus et des propriétés des matériaux dans la fonderie des métaux.
- L'intégration de l'impression 3D avec la fonderie centrifuge élargit les possibilités de conception.
- La compréhension de l'écoulement et de la solidification en microfonderie est cruciale pour une fabrication réussie.
Objectif de l'étude
- Démontrer le processus de remplissage d'une microcavité cellulaire avec un métal en fusion.
- Étudier la corrélation entre les paramètres du procédé et les propriétés du matériau.
- Améliorer la fabrication de métaux en treillis grâce à des techniques innovantes.
Méthodes utilisées
- Utilisation de logiciels de conception assistée par ordinateur pour créer des patrons sacrificiels.
- Impression 3D de moules polymères pour le moulage.
- Moulage centrifuge de métaux fondus dans des moules conçus.
- Analyse des dynamiques d'écoulement et de solidification durant le processus de moulage.
Résultats principaux
- Démonstration réussie du remplissage de microcavités avec un métal en fusion.
- Identification des paramètres clés influençant le processus de coulée.
- Élargissement du choix des matériaux pour la conception de structures métalliques en treillis.
- Validation de la technique de fabrication intégrée.
Conclusions
- La méthode combinée améliore la fabrication de structures en treillis complexes.
- Les paramètres du procédé influencent considérablement la qualité du produit final.
- Cette approche ouvre de nouvelles voies pour la conception de matériaux en fabrication additive.
Questions fréquemment posées
Pertinence sectorielle pour les cadres
Cette approche indirecte de fabrication additive permet une production rentable de métaux en treillis complexes, en surmontant les limitations de la fabrication additive métallique directe, telles que le coût élevé et les contraintes liées aux matériaux. En combinant des patrons sacrificiels imprimés en 3D avec un moulage centrifuge, cette méthode élargit le choix des matériaux et permet la conception rapide de structures légères. Elle offre une voie évolutible pour l'évaluation en phase précoce de géométries en treillis dans les processus de découverte de nouveaux matériaux.
Applications stratégiques en recherche et développement biopharmaceutique
Début de la découverte et validation de la cible
- Valeur scientifique : Permet l'analyse des relations entre la structure et les propriétés dans les architectures en treillis pour la conception de matériaux biomimétiques.
- Valeur opérationnelle : Permet une itération rapide des géométries en treillis à l’aide de l’impression polymère avant de passer au métal.
Développement de criblages et de tests
- Valeur scientifique : Produit des échantillons de métal en réseau tridimensionnel reproductibles avec des épaisseurs de paroi et des dimensions de maille unitaire contrôlées pour les essais mécaniques.
- Valeur opérationnelle : Normalise la préparation des échantillons grâce à un calcul précis du volume du motif sacrificiel et à des paramètres de coulée centrifuge maîtrisés.
Recherche translationnelle et préclinique
- Valeur scientifique : Facilite l'évaluation des systèmes réticulés d'alliages d'aluminium et de cuivre pour des applications potentielles dans les implants ou les dispositifs.
- Valeur opérationnelle : Permet d'évaluer les défauts de coulée liés à la solidification prématurée, ce qui éclaire l'optimisation du procédé en vue d'une fiabilité transposable.
Intégration du pipeline et du flux de travail
La méthode s'intègre aux flux de travail de la phase de découverte précoce à la phase préclinique en assurant un lien entre la conception numérique et la validation physique de prototypes métalliques en treillis.
- Biologie de la découverte : Soutient la vérification d'hypothèses sur la manière dont la géométrie du treillis influence la réponse mécanique dans des environnements physiologiques simulés.
- Essais : Fournit des résultats quantifiables tels que la fidélité dimensionnelle et la formation de défauts dans des conditions de procédé contrôlées.
- Analyse : Permet de corréler la vitesse centrifuge (425 tr/min), la température de fusion (482 °C) et la vitesse d'écoulement (8,03 m/s) avec le succès du coulage.
- Recherche translationnelle : Met en évidence des difficultés spécifiques aux matériaux, telles que la solidification prématurée des alliages de cuivre, essentielles pour l'évaluation des risques dans le développement de dispositifs.
- Réutilisation en entreprise : Met en place une plateforme réutilisable où des patrons sacrificiels peuvent être redessinés pour différents systèmes de treillis sans modifier l'infrastructure fondamentale de coulage.
Impact opérationnel et organisationnel
- Valeur scientifique : Réduit l'ambiguïté mécanistique dans l'établissement de liens entre les paramètres de traitement et l'intégrité finale du réseau.
- Valeur opérationnelle : Améliore la reproductibilité grâce à des étapes normalisables : mesure du volume du motif, dégazage de six heures et trempe contrôlée.
- Valeur stratégique : Abaisse le seuil d'investissement nécessaire à l'exploration des réseaux métalliques en évitant l'utilisation d'équipements de fabrication additive métallique directe.
- Impact sur le portefeuille : Permet des décisions d'orientation (aller ou ne pas aller) concernant les systèmes de matériaux en réseau, fondées sur la réussite du coulage et la fidélité structurelle.
Considérations relatives à la mise en œuvre
- Nécessite une expertise en conception assistée par ordinateur (CAO), en impression 3D de polymères et en protocoles de sécurité liés à la fonderie.
- Suppose l'accès à un équipement de coulée centrifuge capable de 425 tr/min, à des fours pour le dégazage à 482 °C, et à la fusion de métaux au chalumeau à acétylène.
- Exige une standardisation du mélange du matériau réfractaire et des plages de dégazage entre les équipes afin de garantir l'intégrité du moule.
- Implique l'adaptation des paramètres du procédé lors de changements de géométrie de la structure en treillis ou de système d'alliage (par exemple, Al contre Cu).
- Est limité par la fragilité du moule lors du post-traitement, en particulier pour les treillis en aluminium à parois minces nécessitant un sablage à basse pression.
