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 van het vullen van een cellulaire microholte met gesmolten metaal te demonstreren voor de fabricage van roostermetalen door middel van centrifugaalgieten. Deze boodschap kan helpen bij het beantwoorden van belangrijke vragen, zoals hoe de procesparameters, materiaaleigenschappen van gesmolten metaal en de geometrie van de holte van het roostervormgat gecorreleerd zijn met de stroming en stolling in snel microgieten. Deze techniek vult direct 3D-printen van massieve metalen aan, in het vervaardigen van roostermetalen en breidt de materiaalkeuze uit in de ontwerpruimte van roostermetalen.
Vandaag zal ik de procedure demonstreren met doctoraatsstudent Jiwon Mun. Ter voorbereiding, teken een opofferbaar patroon van een octet-trusstructuur met een spruitstelsel met behulp van computerondersteund ontwerpsoftware. Dit geïntegreerde patroon van een octet-trusstructuur met een spruitstelsel wordt gesmolten tijdens het gieten.
Gebruik de CAD-software om het volume van het opofferbaar patroon vast te leggen om de vereiste metaalmassa te berekenen. Na het printen van het acrylmodel, gaat u verder met het gietproces, dat gedetailleerd is beschreven in het tekstprotocol. De volgende stap is het uitlaten van het ondersteunende materiaal.
Daarna wordt het residu van het ondersteunende materiaal verder verwijderd. Vervolgens wordt het patroon geassembleerd. Na de assemblage wordt een investeringsmengproces uitgevoerd.
Zorg ervoor dat alle klonten in het investeringswatermengsel worden verwijderd. Vervolgens is er het uitbrandproces. Om te beginnen, stelt u de tijd in op de oven volgens het verwarmings- en koelschema.
Voor een vat van deze grootte duurt het uitbranden zes uur. Schakel nu de oven in en start het uitbrandschema. Tijdens het uitbranden smelt het opofferbaar patroon en dissocieert het in een gas.
Ga nu verder met het gietproces dat in de volgende twee secties wordt beschreven. Zorg ervoor dat de arm van de centrifugaalgietmachine met een hoeksnelheid van 425 RPM draait voordat u begint. Zoek de instelling die voor deze snelheid nodig is met behulp van een toerenteller.
Selecteer een keramische crucibel om elk legering te smelten. Gebruik een metaalsnijder om de legeringen in stukken van 10 millimeter tot 20 millimeter te snijden. Snijd ongeveer 150 gram van elk legering, wat in dit geval aluminium en koper zijn.
Weeg nu de precieze massa van elk legering af die nodig is voor het roosterontwerp. De holte van het patroon moet nauwkeurig worden gevuld met gesmolten legering. Neem nu een emmer water op kamertemperatuur klaar.
30 liter is voldoende. Trek vervolgens brandwerende kleding aan en doe handschoenen en veiligheidsbril aan. Neem nu het gipsvorm tijdelijk uit de oven.
Plaats het in de vatwieg van de centrifugaalgietmachine 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 graden Celsius. Plaats ondertussen de crucibel in de crucibelhouder en laad het gesneden legering in de crucibel.
Richt vervolgens de acetyleenbrander op. Open de klep van de aangesloten zuurstoftank en houd de gasdruk dicht bij 96,5 kilopascal of 14 PSI. Steek vervolgens voorzichtig de brander aan en controleer de intensiteit van de vlam met de gasdruk.
Wees heel voorzichtig. De vlam komt op tot 1.200 graden Celsius. Smelt nu voorzichtig het gesneden legering in de crucibel totdat het volledig is vloeibaar gemaakt.
Gebruik een koolstofstaaf om het legering te roeren en het te smelten met het neutrale deel van de vlam van de brander. Het juiste smelten van het metaal is cruciaal, want als het metaal te koud is, zal het niet de hele vorm vullen. Maar als het te heet is, zal de toenemende porositeit structurele problemen veroorzaken.
Neem nu de voorverwarmde gipsvorm uit de oven en laad het in de vatwieghoudende arm naast de crucibel met het gesmolten legering. Sluit het deksel van de machine en laat de arm minimaal drie minuten draaien. De machine begint automatisch te draaien wanneer het deksel wordt gesloten.
Ongeveer 420 RPM creëert een inlaatsnelheid bij de vormholte van 8,03 meter per seconde, zoals berekend door de macroscopische deeltjesdynamica en de hoeksnelheid. Na drie minuten schakel de stroom naar de centrifugaalgietmachine uit. Open vervolgens het deksel en verwijder de gipsvorm met behulp van een tang uit de vatwieg.
Laat de vorm afkoelen op kamertemperatuur gedurende 15 tot 20 minuten, totdat de kleur van het legering terugkeert naar die van zijn vaste fase. Doof vervolgens de gipsvorm met behulp van een tang in de wateremmer gedurende ongeveer vijf minuten. Wanneer de vorm bijna op kamertemperatuur is, is deze volledig gedoofd.
Nu, om het roostermetaal binnen de mal te verkrijgen, lost u de mal gewoon op in water. De Jibsen-mal zal binnen twee minuten gemakkelijk oplossen. Nabewerking is nu mogelijk, zoals het schoonmaken door straalbehandeling, dat wordt beschreven in het tekstprotocol.
Zorg ervoor dat u de beschreven straalbehandelingsdruk gebruikt, omdat de mallen enigszins kwetsbaar zijn, vooral de aluminium octet-trus met dunne wanden. Met behulp van de indirecte additieve fabricage die in het protocolgedeelte is beschreven, werden aluminium en koperlegeringen gebruikt om octet-trusmetalen te vervaardigen. Het uitbrandproces duurde zes uur om het opofferbaar patroon uit te smelten.
Na het centrifugaalgietproces waren de uiteindelijke producten octet-trusmetalen gemaakt met aluminium en koperlegeringen. Het gesmolten aluminiumlegering vulde de gehele roostervormholte volledig zonder een misloop. Aan de andere kant leek het gesmolten koperlegering een gietdefect te hebben veroorzaakt door voortijdige stolling in het vroege stadium van de injectie van gesmolten metaal bij de inlaat.
Na het bekijken van deze video,
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit artikel beschrijft een indirecte methode voor additieve fabricage die 3D-printen van polymeren combineert met centrifugaal gieten om 3D octet truss metalen te creëren. Het proces richt zich op de fabricage van aluminium- en koperlegeringen met specifieke afmetingen.
Belangrijkste onderzoekscomponenten
Wetenschapsgebied
- Materiaalkunde
- Additieve fabricage
- Metallografie
Achtergrond
- Het onderzoek onderzoekt de fabricage van roostermetalen met behulp van geavanceerde fabricagetechnieken.
- Het benadrukt het belang van procesparameters en materiaaleigenschappen bij het gieten van metalen.
- De integratie van 3D-printen met centrifugaal gieten breidt de ontwerpmogelijkheden uit.
- Het begrijpen van stroming en stolling bij microcasting is cruciaal voor succesvolle fabricage.
Doel van het onderzoek
- Om het proces van het vullen van een cellulaire microholte met gesmolten metaal te demonstreren.
- Om de correlatie tussen procesparameters en materiaaleigenschappen te onderzoeken.
- Om de fabricage van roostermetalen te verbeteren door middel van innovatieve technieken.
Gebruikte methoden
- Gebruik van computer-aided design software om offerpatronen te maken.
- 3D-printen van polymeermalen voor gieten.
- Centrifugaal gieten van gesmolten metalen in ontworpen mallen.
- Analyse van stroming en stollingdynamiek tijdens het gietproces.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle demonstratie van het vullen van microholtes met gesmolten metaal.
- Identificatie van sleutelparameters die het gietproces beïnvloeden.
- Uitbreiding van de materiaalkeuze voor roostermetaalontwerp.
- Validatie van de geïntegreerde fabricagetechniek.
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 fabricage.
Veelgestelde vragen
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.
