Pośrednie wytwarzanie metali kratowych o cienkich przekrojach przy użyciu odlewania odśrodkowego
14 maja 2016
Pośrednia metoda wytwarzania przyrostowego, łącząca drukowanie 3D polimerów z odlewaniem odśrodkowym, jest opisana do produkcji metali kratownicowych 3D (stopy Al i Cu) o długości komórki elementarnej 5 mm i grubości ścianki 0,5 mm.
Ogólnym celem tego filmu jest zademonstrowanie procesu wypełniania mikrokomory komórkowej stopionym metalem w celu wytwarzania metali sieciowych metodą odlewania odśrodkowego. Materiał ten może pomóc w odpowiedzi na kluczowe pytania, takie jak to, w jaki sposób parametry procesu, właściwości materiałowe stopionego metalu i geometria otworu formy sieciowej korelują z przepływem i krzepnięciem w szybkim mikroodlewie. Technika ta uzupełnia bezpośredni druk 3D masywnych metali w produkcji metali sieciowych i rozszerza wybór materiałów w przestrzeni projektowej metali sieciowych.
Dzisiaj, wraz z doktorantką Jiwon Mun, zaprezentuję tę procedurę. W ramach przygotowań, przy użyciu oprogramowania do projektowania wspomaganego komputerowo (CAD), należy narysować wzór poświęcalny struktury kratownicy typu octet wraz z systemem wlewowym. Ten zintegrowany wzór struktury kratownicy typu octet z systemem wlewowym ulega stopieniu podczas odlewania.
Za pomocą oprogramowania CAD należy odnotować objętość wzorca poświęcalnego, aby obliczyć wymaganą masę metalu. Po wydrukowaniu akrylowego modelu należy przystąpić do procesu odlewania, który został szczegółowo opisany w protokole tekstowym. Kolejnym krokiem jest wytopienie materiału podporowego.
Następnie usuwa się pozostałości materiału podporowego. Potem montuje się wzór. Po jego zamontowaniu przeprowadza się proces mieszania masy formierskiej.
Należy upewnić się, że z mieszaniny wody i masy formierskiej usunięto wszystkie grudki. Następnie przeprowadza się proces wypalania. Aby rozpocząć, należy ustawić czas w piecu zgodnie z harmonogramem nagrzewania i chłodzenia.
W przypadku kolby o takim rozmiarze proces wypalania trwa sześć godzin. Teraz należy włączyć piec i uruchomić harmonogram wypalania. Podczas wypalania wzór poświęcalny topi się i rozkłada do postaci gazu.
Następnie należy kontynuować proces odlewania opisany w dwóch kolejnych sekcjach. Przed rozpoczęciem upewnij się, że ramię maszyny do odlewania odśrodkowego obraca się z prędkością kątową 425 RPM. Wyznacz za pomocą tachometru ustawienie niezbędne do uzyskania tej prędkości.
Wybierz ceramiczny tygiel do przetopienia każdego stopu. Za pomocą przecinaka metalowego potnij stopy na kawałki o długości od 10 mm do 20 mm. Potnij około 150 g każdego stopu, którymi w tym przypadku są aluminium i miedź.
Teraz odważ precyzyjną masę każdego stopu potrzebną do projektu sieci. Wnęka formy musi zostać wypełniona stopionym stopem dokładnie do pełna. Następnie przygotuj wiadro wody w temperaturze pokojowej.
Wystarczy 30 litrów. Następnie załóż odzież ognioodporną, rękawice oraz gogle. Teraz tymczasowo wyjmij formę gipsową z pieca.
Umieść go w gnieździe na kolbę w maszynie do odlewania odśrodkowego i zrównoważ ramię wirówki. Następnie wprowadź formę gipsową z powrotem do pieca i rozpocznij nagrzewanie urządzenia do 482 °C. W międzyczasie umieść tygiel w uchwycie i wsyp pocięty stop do tygla.
Następnie przygotuj palnik acetylenowy. Otwórz zawór podłączonej butli z tlenem i utrzymuj ciśnienie gazu na poziomie około 96.5 kilopascals lub 14 PSI. Następnie ostrożnie zapal palnik i kontroluj intensywność płomienia za pomocą ciśnienia gazu.
Należy zachować szczególną ostrożność. Płomień osiąga temperaturę do 1 200 °C. Teraz ostrożnie przetop posiekaną stopkę w tyglu, aż zostanie całkowicie upłynniona.
Użyj grafitowego pręta do mieszania stopu i przetop go w neutralnej części płomienia palnika. Prawidłowe przetopienie metalu jest kluczowe, ponieważ jeśli metal będzie zbyt chłodny, nie wypełni on całej formy. Jednak w przypadku zbyt wysokiej temperatury, zwiększona porowatość spowoduje problemy strukturalne.
Teraz wyjmij rozgrzaną formę gipsową z pieca i umieść ją w ramieniu uchwytu kolby, obok tygla z przetopionym stopem. Zamknij pokrywę urządzenia i pozwól ramieniu obracać się przez co najmniej trzy minuty. Urządzenie zaczyna obracać się automatycznie po zamknięciu pokrywy.
Prędkość ok. 420 RPM generuje prędkość wlotową w formie na poziomie 8,03 metrów na sekundę, obliczoną na podstawie makroskopowej dynamiki cząstek i prędkości kątowej. Po trzech minutach odłącz zasilanie maszyny do odlewania siłowego. Następnie otwórz pokrywę i za pomocą kleszczy wyjmij formę gipsową z uchwytu kolby.
Pozostaw formę do ostygnięcia w temperaturze pokojowej przez 15 do 20 minut, aż kolor stopu powróci do barwy właściwej dla jego fazy stałej. Następnie, używając kleszczy, schłodź formę gipsową w wiadrze z wodą przez około pięć minut. Forma uznawana jest za całkowicie schłodzoną, gdy osiągnie temperaturę bliską temperaturze pokojowej.
Aby uzyskać metalową kratownicę wewnątrz formy, należy po prostu rozpuścić formę w wodzie. Forma Jibsen rozpuści się łatwo w ciągu dwóch minut. Można teraz przeprowadzić obróbkę końcową, taką jak oczyszczanie poprzez piaskowanie, które zostało opisane w protokole tekstowym.
Należy ściśle przestrzegać opisanego ciśnienia piaskowania, ponieważ formy są dość kruche, zwłaszcza aluminiowa kratownica typu octet, która posiada cienkie ścianki. Wykorzystując opisaną w sekcji protokołu pośrednią produkcję addytywną, do wytworzenia metalowych kratownic typu octet zastosowano stopy aluminium i miedzi. Proces wypalania przeprowadzono przez sześć godzin w celu stopienia wzorca poświęcalnego.
Po procesie odlewania odśrodkowego produktami końcowymi były metalowe kratownice oktetowe wykonane ze stopów aluminium i miedzi. Stop aluminium w stanie ciekłym całkowicie wypełnił całą jamę formy kratowej, nie tworząc niedolewów. Z kolei w przypadku ciekłego stopu miedzi pojawiła się wada odlewnicza spowodowana przedwczesnym krzepnięciem na wczesnym etapie wtrysku ciekłego metalu przez wlew.
Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo posiadać dobrą wiedzę na temat wpływu parametrów procesu na wypełnianie komórkowej mikrojamistości stopionym metalem podczas pośredniego wytwarzania struktur kratownicowych przy użyciu odlewania odśrodkowego. Po opracowaniu technika ta utorowała badaczom z dziedziny metali kratownicowych drogę do eksploracji pośredniego wytwarzania poprzez połączenie druku 3D polimerów z odlewaniem odśrodkowym.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy artykuł przedstawia pośrednią metodę wytwarzania addytywnego, która łączy druk 3D polimerów z odlewaniem odśrodkowym w celu wytworzenia metalowych kratownic typu octet 3D. Proces koncentruje się na produkcji stopów aluminium i miedzi o określonych wymiarach.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Inżynieria Materiałowa
- Wytwarzanie Przyrostowe
- Metalurgia
Wstęp
- Badanie analizuje wytwarzanie metali sieciowych z wykorzystaniem zaawansowanych technik produkcyjnych.
- Podkreślono znaczenie parametrów procesu i właściwości materiałowych w odlewnictwie metali.
- Integracja druku 3D z odlewaniem odśrodkowym rozszerza możliwości projektowe.
- Zrozumienie przepływu i krzepnięcia w mikroodlewnictwie jest kluczowe dla skutecznego procesu wytwarzania.
Cel badania
- Zaprezentowanie procesu wypełniania mikrokomory komórkowej ciekłym metalem.
- Zbadanie korelacji między parametrami procesu a właściwościami materiałowymi.
- Usprawnienie wytwarzania metali kratowych za pomocą innowacyjnych technik.
Zastosowane metody
- Wykorzystanie oprogramowania do projektowania wspomaganego komputerowo w celu tworzenia wzorów poświęcalnych.
- Druk 3D polimerowych form odlewniczych.
- Odlewanie odśrodkowe stopionych metali w zaprojektowanych formach.
- Analiza dynamiki przepływu i krzepnięcia podczas procesu odlewania.
Główne wyniki
- Skuteczna demonstracja wypełniania mikrownęk stopionym metalem.
- Identyfikacja kluczowych parametrów wpływających na proces odlewania.
- Rozszerzenie zakresu doboru materiałów do projektowania metalowych struktur kratowych.
- Walidacja zintegrowanej techniki wytwarzania.
Wnioski
- Metoda łączona usprawnia wytwarzanie złożonych struktur kratowych.
- Parametry procesu w istotny sposób wpływają na jakość końcowego produktu.
- Takie podejście otwiera nowe możliwości projektowania materiałów w wytwarzaniu addytywnym.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Ta pośrednia metoda wytwarzania addytywnego umożliwia kosztowo efektywną produkcję złożonych metalowych struktur sieciowych, rozwiązując ograniczenia bezpośredniego druku 3D z metali, takie jak wysokie koszty i limitowany dobór materiałów. Dzięki połączeniu wydrukowanych w 3D form poświęcalnych z odlewaniem odśrodkowym, metoda ta rozszerza zakres dostępnych materiałów i wspiera szybkie prototypowanie lekkich konstrukcji. Stanowi ona skalowalną drogę do wczesnej oceny geometrii sieciowych w procesach odkrywania nowych materiałów.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia badanie zależności między strukturą a właściwościami w architekturach kratowych na potrzeby projektowania materiałów biomimetycznych.
- Wartość operacyjna: Wspiera szybką iterację geometrii kratowych przy użyciu druku polimerowego przed przejściem na druk z metalu.
Przesiewy i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Umożliwia otrzymanie powtarzalnych próbek metalowych struktur kratowych o kontrolowanej grubości ścianek i wymiarach komórki jednostkowej do badań mechanicznych.
- Wartość operacyjna: Standaryzuje przygotowanie próbek poprzez precyzyjne obliczanie objętości wzorca poświęcalnego oraz optymalizację parametrów odlewania odśrodkowego.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Ułatwia ocenę układów sieci krystalicznej stopów aluminium i miedzi pod kątem potencjalnego zastosowania w implantach lub urządzeniach medycznych.
- Wartość operacyjna: Umożliwia ocenę wad odlewniczych związanych z przedwczesną krzepnięciem, co pozwala na optymalizację procesu w celu zwiększenia niezawodności translacyjnej.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta wpisuje się w procesy od wczesnego etapu odkrywania do badań przedklinicznych, stanowiąc pomost pomiędzy projektowaniem cyfrowym a fizyczną walidacją prototypów metalowych struktur kratownicowych.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez dotyczących wpływu geometrii sieci na odpowiedź mechaniczną w symulowanych środowiskach fizjologicznych.
- Przesiewanie: Dostarcza mierzalne wyniki, takie jak wierność wymiarowa i tworzenie defektów przy kontrolowanych parametrach procesu.
- Analityka: Umożliwia korelację prędkości odśrodkowej (425 RPM), temperatury stopu (482°C) i prędkości przepływu (8,03 m/s) z sukcesem odlewania.
- Badania translacyjne: Wskazuje na wyzwania specyficzne dla materiałów, takie jak przedwczesne krzepnięcie stopu miedzi, co jest kluczowe dla oceny ryzyka podczas rozwoju urządzeń.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Tworzy platformę wielokrotnego użytku, w której modele poświęcalne mogą być projektowane na nowo dla różnych systemów sieci bez zmiany podstawowej infrastruktury odlewniczej.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zmniejsza niejednoznaczność mechanistyczną w powiązaniu parametrów przetwarzania z końcową integralnością sieci.
- Wartość operacyjna: Poprawia powtarzalność dzięki standaryzowanym krokom: pomiarowi objętości wzorca, sześciogodzinnemu wypalaniu oraz kontrolowanemu hartowaniu.
- Wartość strategiczna: Obniża barierę kapitałową w eksploracji metalowych struktur sieciowych poprzez uniknięcie bezpośredniego zastosowania sprzętu do addytywnego wytwarzania metali.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia podejmowanie decyzji o kontynuacji lub przerwaniu prac nad systemami materiałów sieciowych w oparciu o sukces odlewania i wierność strukturalną.
Uwagi dotyczące implementacji
- Wymagana jest wiedza z zakresu projektowania CAD, druku 3D z polimerów oraz protokołów bezpieczeństwa przy odlewnictwie metali.
- Niezbędny jest dostęp do odlewania odśrodkowego z możliwością osiągnięcia 425 RPM, pieców do wypalania w temperaturze 482°C oraz palnika acetylenowego do topienia metalu.
- Wymagana jest standaryzacja procesu mieszania masy formierskiej i harmonogramów wypalania we wszystkich zespołach, aby zapewnić integralność formy.
- Konieczna jest adaptacja parametrów procesu przy zmianie geometrii sieci lub systemu stopowego (np. Al vs Cu).
- Ograniczeniem jest kruchość formy podczas obróbki końcowej, szczególnie w przypadku cienkościennych sieci aluminiowych wymagających niskociśnieniowego piaskowania.
