ייצור עקיף של סריג מתכות סעיפים דקים באמצעות יציקה צנטריפוגלי

המטרה הכוללת של סרטון זה היא להדגים את תהליך מילוי מיקרו-חלל תאי במתכת נוזלית לייצור מתכות סריגיות באמצעות יציקה צנטריפוגלית. סרטון זה עשוי לסייע במתן מענה לשאלות מפתח, כגון כיצד פרמטרי התהליך, תכונות החומר של המתכת הנוזלית וגיאומטריית חלל התבנית של הסריג קשורים לזרימה ולהתמצקות במיקרו-יציקה מהירה. טכניקה זו משלימה את ההדפסה התלת-ממדית הישירה של מסות מתכת בייצור מתכות סריגיות, ומרחיבה את בחירת החומרים במרחב התכנוני של מתכות סריגיות.

היום אדגים את הפרוצדורה יחד עם דורשת הדוקטורט Jiwon Mun. כהכנה, שרטטו באמצעות תוכנת תכנון בעזרת מחשב (CAD) תבנית הקרבה של מבנה Octet truss עם מערכת ערוצי הזנה (sprue system). תבנית משולבת זו של מבנה Octet truss עם מערכת ערוצי הזנה נמסה במהלך היציקה.

באמצעות תוכנת ה-CAD, רשמו את נפח הדגם המקריב כדי לחשב את מסת המתכת הדרושה. לאחר הדפסת דגם האקריליק, המשיכו בתהליך היציקה, המפורט בפרוטוקול הכתוב. השלב הבא הוא המסת חומר התמיכה.

לאחר מכן, שאריות חומר התמיכה מוסרות באופן מלא. לאחר מכן, התבנית מורכבת. עם סיום ההרכבה, מבוצע תהליך ערבוב של חומר ההטבעה (investment).

יש לוודא שכל הגושים בתערובת המים והחומר המעטפת (investment) הוסרו. השלב הבא הוא תהליך השריפה (burnout). כדי להתחיל, הגדירו את הזמן בתנור בהתאם ללוח הזמנים של החימום והקירור.

עבור בקבוק בגודל זה, תהליך השריפה יימשך שש שעות. כעת, הפעילו את התנור והתחילו בתוכנית השריפה. במהלך השריפה, הדגם המקריב נמס ומתפרק לגז.

כעת, המשיכו בתהליך היציקה המתואר בשני הסעיפים הבאים. לפני התחלת העבודה, ודאו שזרוע מכונת היציקה הצנטריפוגלית מסתובבת במהירות זוויתית של 425 RPM. את ההגדרה הנדרשת למהירות זו ניתן למצוא באמצעות טכומטר.

בחרו כור ceramic להמסת כל סגסוגת. באמצעות חותך מתכת, חתכו את הסגסוגות לחתיכות של 10 millimeter עד 20 millimeter. חתכו כ-150 grams מכל סגסוגת, שבמקרה זה הן אלומיניום ונחושת.

כעת, שקלו את המסה המדויקת של כל סגסוגת הדרושה לתכנון הסריג. יש למלא את חלל התבנית בדיוק עד לקיבולתו בסגסוגת מותכת. כעת, הכינו דלי עם מים בטמפרטורת החדר.

30 liters מספיקים. לאחר מכן, לבשו ביגוד חסין אש והנחו כפפות ומשקפי מגן. כעת, הוציאו זמנית את תבנית הגבס מהתנור.

הניחו את התבנית במעמד הבקבוק של מכונת היציקה הצנטריפוגלית, ואז איזנו את זרוע הצנטריפוגה. לאחר מכן, החזירו את תבנית הגבס לתנור, והפעילו את חימום המכונה ל-482 °C. בינתיים, הניחו את כור ההיתוך במחזיק כור ההיתוך, והטעינו את הסגסוגת הקצוצה לתוך כור ההיתוך.

בשלב הבא, הכינו את מבער האצטילן. פתחו את השסתום של מיכל החמצן המחובר, ושמרו על לחץ גז של כ-96.5 kilopascals או 14 PSI. לאחר מכן, הדליקו בזהירות את המבער ובקרו את עוצמת הלהבה באמצעות לחץ הגז.

היו זהירים מאוד. הלהבה מגיעה ל-1,200 °C. כעת, המסו בזהירות את הסגסוגת הקצוצה בכור עד להמסה מלאה.

השתמשוLבמוט פחמן כדי לערבב את הסגסוגת ולהמיס אותה באמצעות החלק הניטרלי של להבת הלפיד. המסה נכונה של המתכת היא קריטית, כיוון שאם המתכת תהיה קרה מדי, היא לא תמלא את התבנית כולה. מנגד, אם היא תהיה חמה מדי, עלייה בנקבוביות תגרום לבעיות מבניות.

כעת, הוציאו את תבנית הגבס שחוממה מראש מהתנור, והניחו אותה בזרוע התמיכה של ערסול הבקבוק לצד כור ההיתוך עם הסגסוגת הנוזלית. סגרו את מכסה המכשיר והניחו לזרוע להסתובב במשך שלוש דקות לפחות. המכשיר מתחיל להסתובב באופן אוטומטי כאשר המכסה נסגר.

מהירות של כ-420 RPM יוצרת מהירות כניסה בחלל התבנית של 8.03 meters per second, כפי שחושב על ידי דינמיקת חלקיקים מאקרוסקופית והמהירות הזוויתית. לאחר שלוש דקות, נתק את החשמל ממכונת היציקה הצנטריפוגלית. לאחר מכן, פתח את המכסה, והסר בעזרת מלקחיים את תבנית הגבס ממעמד הבקבוק.

הניחו לתבנית להתקרר בטמפרטורת החדר במשך 15 עד 20 דקות, עד שצבע הסגסוגת יחזור לצבעו בשלב המוצק. לאחר מכן, בעזרת מלקחיים, קררו בפתאומיות (quench) את תבנית הגבס בדלי המים למשך כחמש דקות. כאשר התבנית תגיע לטמפרטורה הקרובה לטמפרטורת החדר, היא תיחשב למקוררת לחלוטין.

כעת, כדי להוציא את מתכת הסריג מתוך התבנית, פשוט המיסו את התבנית במים. תבנית ה-Jibsen תומס בקלות תוך שתי דקות. כעת ניתן לבצע עיבוד לאחר ייצור, כגון ניקוי באמצעות התזת חול (sandblasting), המתואר בפרוטוקול הטקסט.

יש להקפיד להשתמש בלחץ הניקוי בחול (sandblasting) המתואר, שכן התבניות שבירות למדי, ובמיוחד קונסטרוקציית ה-octet truss מאלומיניום בעלת הדפנות הדקות. באמצעות הייצור האדיטיבי העקיף המתואר בסעיף הפרוטוקול, נעשה שימוש בסגסוגות אלומיניום ונחושת לייצור מתכיות במבנה octet truss. תהליך השריפה (burnout) בוצע במשך שש שעות כדי להמיס את תבנית ההקרבה.

לאחר תהליך היציקה הצנטריפוגלית, המוצרים הסופיים היו מתכות במבנה truss מסוג octet שיוצרו מסגסוגות אלומיניום ונחושת. סגסוגת האלומיניום המותכת מילאה באופן מלא את כל חלל התבנית של הסריג ללא פגמי מילוי (misrun). לעומת זאת, נראה כי בסגסוגת הנחושת המותכת היה פגם יציקה שנגרם מהתמצקות מוקדמת בשלב הראשוני של הזרקת המתכת המותכת בפתח הכניסה.

לאחר צפייה בסרטון זה, תרכשו הבנה טובה של השפעת פרמטרי התהליך על מילוי מתכת מותכת לתוך מיקרו-חלל תאי, תוך ביצוע ייצור עקיף של מתכות סריג באמצעות יציקה צנטריפוגלית. לאחר פיתוחה, סללה טכניקה זו את הדרך עבור חוקרים בתחום מתכות הסריג לבחון ייצור עקיף, באמצעות שילוב של הדפסת תלת-ממד של פולימרים עם יציקה צנטריפוגלית.