Indirecte Fabrication van Lattice Metals met slijpplaatjes behulp Centrifugal Casting
14 mei 2016
Een indirecte additive manufacturing combineren van een 3D printen van polymeren met een centrifugaal gieten wordt beschreven voor het vervaardigen van 3D octet truss metalen (Al en Cu legering) met een eenheidscel lengte van 5 mm met een wanddikte van 0,5 mm.
Het algemene doel van deze video is om het proces te demonstreren van het vullen van een cellulaire microcaviteit met gesmolten metaal voor de fabricage van rooster-metalen via centrifugaalgieten. Deze informatie kan helpen bij het beantwoorden van kernvragen, zoals hoe de procesparameters, de materiaaleigenschappen van het gesmolten metaal en de geometrie van de rooster-gietcaviteit gecorreleerd zijn met de stroming en stolling bij snel microgieten. Deze techniek vormt een aanvulling op het direct 3D-printen van massieve metalen bij de productie van rooster-metalen en breidt de materiaalkeuze in de ontwerpruimte van rooster-metalen uit.
Vandaag zal ik de procedure demonstreren samen met promovendus Jiwon Mun. Teken ter voorbereiding met behulp van computerondersteunde ontwerpsoftware een opofferingsmodel van een octet-vakwerkstructuur met een gating-systeem. Dit geïntegreerde model van een octet-vakwerkstructuur met een gating-systeem wordt tijdens het gieten gesmolten.
Gebruik de CAD-software om het volume van het opofferingsmodel vast te leggen om de benodigde metaalmassa te berekenen. Na het printen van het acrylaatmodel wordt overgegaan tot het gietproces, dat gedetailleerd wordt beschreven in het tekstprotocol. De volgende stap is het uitsmelten van het ondersteuningsmateriaal.
Vervolgens worden de resten van het ondersteuningsmateriaal verder verwijderd. Daarna wordt het patroon geassembleerd. Na de assemblage wordt een proces voor het mengen van de gietvorm uitgevoerd.
Zorg ervoor dat alle klontjes uit het mengsel van gietmateriaal en water zijn verwijderd. Vervolgens volgt het uitbrandproces. Stel om te beginnen de tijd op de oven in volgens het verwarmings- en afkoelschema.
Voor een kolf van deze omvang duurt het uitbranden zes uur. Zet nu de oven aan en start het uitbrandingsschema. Tijdens het uitbranden smelt het opofferingsmodel en ontleedt dit in een gas.
Ga nu verder met het gietproces zoals beschreven in de volgende twee secties. Controleer vóór aanvang of de arm van de centrifugale gietmachine draait met een hoeksnelheid van 425 RPM. Bepaal met behulp van een tachometer de instelling die nodig is voor deze snelheid.
Selecteer een keramische smeltkroes om elke legering te smelten. Hak de legeringen met een metaalsnijder in stukken van 10 millimeter tot 20 millimeter. Hak ongeveer 150 gram van elke legering fijn, in dit geval aluminium en koper.
Weeg nu de exacte massa van elke legering af die nodig is voor het roosterontwerp. De holte van het patroon moet precies tot de maximale capaciteit worden gevuld met gesmolten legering. Zet nu een emmer water op kamertemperatuur klaar.
30 liters is voldoende. Trek vervolgens vlamvertragende kleding aan en draag handschoenen en een veiligheidsbril. Haal nu de gipsvorm tijdelijk uit de oven.
Plaats het in de kolvenhouder van de centrifugalgietmachine en balanceer de arm van de centrifuge. Plaats vervolgens de gipsvorm terug in de oven en begin met het verwarmen van de machine tot 482 °C. Plaats ondertussen de smeltkroes in de kroeshouder en vul de smeltkroes met de gesnipperde legering.
Stel vervolgens de acetyleenbrander in. Open het ventiel van de aangesloten zuurstoftank en houd de gasdruk rond de 96.5 kilopascals of 14 PSI. Steek daarna de brander voorzichtig aan en reguleer de intensiteit van de vlam met de gasdruk.
Wees zeer voorzichtig. De vlam bereikt een temperatuur tot 1 200 °C. Smelt nu voorzichtig de gehaktte legering in de smeltkroes totdat deze volledig is gesmolten.
Gebruik een koolstofstaaf om de legering te roeren en smelt deze met het neutrale deel van de vlam van de brander. Het correct smelten van het metaal is cruciaal, want als het metaal te koel is, zal het de volledige vorm niet vullen. Als het echter te heet is, zal de toenemende porositeit leiden tot structurele problemen.
Neem nu de voorverwarmde gipsvorm uit de oven en plaats deze in de houderarm van de flaskenhouder naast de smeltkroes met het gesmolten legering. Sluit de afdekking van de machine en laat de arm ten minste drie minuten draaien. De machine begint automatisch te draaien zodra de afdekking is gesloten.
Ongeveer 420 RPM creëert een inlaatsnelheid bij de holte van de mal van 8,03 meter per seconde, zoals berekend op basis van de macroscopische partikeldynamica en de hoeksnelheid. Schakel na drie minuten de stroom van de centrifugalgietmachine uit. Open vervolgens de afdekking en verwijder met een tang de gipsmal uit de kolfhouder.
Laat de mal 15 tot 20 minuten afkoelen op kamertemperatuur, totdat de kleur van de legering terugkeert naar die van de vaste fase. Dompel de gipsmal vervolgens met een tang ongeveer vijf minuten onder in de emmer water. De mal is volledig afgekoeld wanneer deze bijna op kamertemperatuur is.
Om nu het metalen rooster in de mal te verkrijgen, lost u de mal eenvoudig op in water. De Jibsen-mal zal binnen twee minuten gemakkelijk oplossen. Nabewerking is nu mogelijk, zoals reiniging door middel van zandstralen, wat wordt beschreven in het tekstprotocol.
Zorg ervoor dat u de beschreven zandstraaldruk gebruikt, aangezien de mallen enigszins fragiel zijn, in het bijzonder het aluminium octet truss-rooster met de dunne wanden. Met behulp van de in het protocolgedeelte beschreven indirecte additieve productie werden aluminium- en koperlegeringen gebruikt voor het vervaardigen van de metalen octet truss-roosters. Het uitbrandingsproces werd zes uur lang uitgevoerd om het opofferingsmodel weg te smelten.
Na het centrifugale gietproces waren de eindproducten octet-truss metalen vervaardigd uit aluminium- en koperlegeringen. De gesmolten aluminiumlegering vulde de gehele holte van de roostergietvorm volledig zonder gietfouten. Daarentegen vertoonde de gesmolten koperlegering een gietdefect veroorzaakt door voortijdige stolling in de beginfase van de injectie van het gesmolten metaal bij de inlaat.
Na het bekijken van deze video zou u een goed begrip moeten hebben van het effect van procesparameters op het vullen van gesmolten metaal in een cellulaire microholte, bij de indirecte fabricage van rooster-metalen middels centrifugaalgieten. Na de ontwikkeling heeft deze techniek de weg vrijgemaakt voor onderzoekers op het gebied van rooster-metalen om indirecte fabricage te verkennen door 3D-printen van polymeren te combineren met centrifugaalgieten.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit artikel beschrijft een indirecte additieve productiemethode die 3D-printen van polymeren combineert met centrifugaalgieten om 3D-octettruss-metalen te creëren. Het proces richt zich op de vervaardiging van aluminium- en koperlegeringen met specifieke afmetingen.
Belangrijkste componenten van de studie
Wetenschappelijk vakgebied
- Materiaalkunde
- Additive Manufacturing
- Metallurgie
Achtergrond
- De studie onderzoekt de fabricage van rooster-metalen met behulp van geavanceerde productietechnieken.
- Het benadrukt het belang van procesparameters en materiaaleigenschappen bij het gieten van metaal.
- De integratie van 3D-printen met centrifugaalgieten breidt de ontwerp-mogelijkheden uit.
- Kennis van de stroming en stolling bij microgieten is cruciaal voor een succesvolle fabricage.
Doel van de studie
- Om het proces van het vullen van een cellulaire microcaviteit met gesmolten metaal te demonstreren.
- Om de correlatie tussen procesparameters en materiaaleigenschappen te onderzoeken.
- Om de productie van rooster-metalen te verbeteren via innovatieve technieken.
Gebruikte methoden
- Gebruik van computerondersteunde ontwerpsoftware voor het maken van opofferingspatronen.
- 3D-printen van polymeermallen voor gieten.
- Centrifugaalgieten van gesmolten metalen in ontworpen mallen.
- Analyse van stroom- en stolingsdynamiek tijdens het gietproces.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle demonstratie van het vullen van microholtes met vloeibaar metaal.
- Identificatie van sleutelparameters die het gietproces beïnvloeden.
- Uitbreiding van de materiaalselectie voor het ontwerp van metalen roosterstructuren.
- Validatie van de geïntegreerde productietechniek.
Conclusies
- De gecombineerde methode verbetert de fabricage van complexe roosterstructuren.
- Procesparameters hebben een significante invloed op de kwaliteit van het eindproduct.
- Deze aanpak opent nieuwe wegen voor materiaalontwerp in additieve productie.
Veelgestelde vragen
Industriële relevantie voor directie
Deze indirecte additieve productiemethode maakt kosteneffectieve productie van complexe metalen roosterstructuren mogelijk en pakt hiermee de beperkingen van directe metaal-AM aan, zoals hoge kosten en materiaalinperkingen. Door 3D-geprinte offerpatronen te combineren met centrifugaal gieten, breidt deze methode de materiaalkeuze uit en ondersteunt het het snelle prototypen van lichtgewicht structuren. Het biedt een schaalbare weg voor de vroege evaluatie van roostergeometrieën in workflows voor materiaalondekking.
Strategische toepassingen in biofarmaceutische R&D
Vroege ontdekking & targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt onderzoek mogelijk naar structuur-eigenschaprelaties in roosterarchitecturen voor het ontwerp van biomimetische materialen.
- Operationele waarde: Ondersteunt snelle iteratie van roostergeometrieën middels polymeerprinten voordat er wordt overgegaan op metaal.
Screening & Assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Produceert reproduceerbare rooster-metaalmonsters met een gecontroleerde wanddikte en eenheidsceldimensies voor mechanische tests.
- Operationele waarde: Standaardiseert de monsterbereiding via nauwkeurige berekening van het volume van het opofferingspatroon en centrifugale gietparameters.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Faciliteert de evaluatie van roosterstelsels van aluminium- en koperlegeringen voor potentieel gebruik in implanteerbare toepassingen of medische hulpmiddelen.
- Operationele waarde: Maakt het mogelijk om gietdefecten gerelateerd aan voortijdige stolling te beoordelen, wat bijdraagt aan procesoptimalisatie voor translationele betrouwbaarheid.
Pipeline- en workflowintegratie
De methode past binnen de workflows van vroege ontdekking tot preklinisch onderzoek door een brug te slaan tussen digitaal ontwerp en fysieke validatie van metalen roosterprototypes.
- Ontdekkingsbiologie: Ondersteunt hypothesetoetsing over hoe roostergeometrie de mechanische respons beïnvloedt in gesimuleerde fysiologische omgevingen.
- Screening: Levert kwantificeerbare resultaten op, zoals dimensionale getrouwheid en defectvorming onder gecontroleerde procesparameters.
- Analytiek: Maakt correlatie mogelijk tussen centrifugalsnelheid (425 RPM), smelttemperatuur (482°C) en stroomsnelheid (8,03 m/s) met het succes van het gieten.
- Translationeel onderzoek: Benadrukt materiaalspecifieke uitdagingen, zoals voortijdige stolling van koperlegeringen, wat cruciaal is voor risicobeoordeling bij de ontwikkeling van hulpmiddelen.
- Bedrijfsmatige herbruikbaarheid: Vestigt een herbruikbaar platform waarbij opofferingspatronen kunnen worden herontworpen voor verschillende roostersystemen zonder de kerninfrastructuur voor het gieten te wijzigen.
Operationele impact en impact op de organisatie
- Wetenschappelijke waarde: Vermindert mechanische ambiguïteit bij het koppelen van verwerkingsparameters aan de uiteindelijke integriteit van het rooster.
- Operationele waarde: Verbetert de reproduceerbaarheid via identificeerbare stappen: meting van het patroonvolume, zes uur uitbranden en gecontroleerde afschrikking.
- Strategische waarde: Verlaagt de kapitaaldrempel voor het onderzoeken van rooster-metalen door directe metaal-AM-apparatuur te vermijden.
- Impact op portfolio: Maakt go/no-go-beslissingen mogelijk over rooster-materiaalsystemen op basis van het succes van het gieten en de structurele getrouwheid.
Overwegingen voor implementatie
- Vereist expertise in CAD-ontwerp, polymeer 3D-printen en veiligheidsprotocollen voor metaalgieten.
- Toegang tot centrifugaalgietsystemen met een vermogen van 425 RPM, ovens voor uitbranden bij 482°C en metaalsmelten via een acetyleenbrander is noodzakelijk.
- Standaardisatie van het mengen van de gietmassa en de uitbrandingsschema's tussen teams is vereist om de integriteit van de mal te waarborgen.
- Aanpassing van procesparameters is vereist bij het wijzigen van de roostergeometrie of het legeringssysteem (bijv. Al versus Cu).
- Beperkt door de fragiliteit van de mal tijdens de nabewerking, in het bijzonder voor dunwandige aluminium roosters waarvoor zandstralen onder lage druk noodzakelijk is.
