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 mikrownęki komórkowej stopionym metalem w celu wytworzenia metali kratowych przez odlewanie odśrodkowe. Wiadomość ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania, takie jak, w jaki sposób parametry procesu, właściwości materiałowe stopionego metalu i geometria wnęki formy kratowej są skorelowane z przepływem i krzepnięciem w szybkim mikroodlewaniu. Technika ta uzupełnia bezpośrednie drukowanie 3D ogromnych ilości metali w produkcji metali kratowych i rozszerza wybór materiałów w przestrzeni projektowej metali kratowych.
Dzisiaj będę demonstrować tę procedurę z doktorantem Jiwonem Munem. W ramach przygotowań narysuj wzór ofiarny konstrukcji kratownicy oktetu z systemem wlewów za pomocą oprogramowania do projektowania wspomaganego komputerowo. Ten zintegrowany wzór konstrukcji kratownicy oktetowej z systemem wlewów topi się podczas odlewania.
Korzystając z oprogramowania CAD, zapisz objętość wzoru ofiarnego, aby obliczyć wymaganą masę metalu. Po wydrukowaniu modelu akrylowego przystąp do procesu odlewania, który jest szczegółowo opisany w protokole tekstowym. Następnym krokiem jest stopienie materiału podporowego.
Następnie pozostałości materiału nośnego są dalej usuwane. Następnie wzór jest składany. Po jego zmontowaniu przeprowadzany jest proces mieszania inwestycyjnego.
Pamiętaj, aby usunąć wszystkie grudki z mieszanki wody inwestycyjnej. Następny jest proces wypalenia zawodowego. Aby rozpocząć, ustaw czas na piecu zgodnie z harmonogramem ogrzewania i chłodzenia.
W przypadku kolby tej wielkości wypalenie zajmie sześć godzin. Teraz włącz piec i uruchom harmonogram wypalania. Podczas wypalenia wzór ofiarny topi się i dysocjuje w gaz.
Teraz przejdź do procesu odlewania opisanego w dwóch następnych sekcjach. Przed rozpoczęciem upewnij się, że ramię maszyny do odlewania odśrodkowego obraca się z prędkością kątową 425 obr./min. Znajdź ustawienie potrzebne dla tej prędkości za pomocą obrotomierza.
Wybierz tygiel ceramiczny, aby stopić każdy stop. Za pomocą noża do metalu pokrój stopy na kawałki o wielkości od 10 milimetrów do 20 milimetrów. Posiekaj około 150 gramów każdego stopu, którym w tym przypadku jest aluminium i miedź.
Teraz zważ dokładną masę każdego stopu potrzebną do projektu kraty. Wnęka wzoru musi być dokładnie wypełniona stopionym stopem. Teraz przygotuj wiadro z wodą o temperaturze pokojowej.
Wystarczy 30 litrów. Następnie załóż odzież trudnopalną i załóż rękawiczki i gogle. Teraz tymczasowo wyjmij formę gipsową z pieca.
Umieść go w kołysce kolby maszyny do odlewania odśrodkowego i zrównoważ ramię wirówki. Następnie włóż formę gipsową z powrotem do pieca i rozpocznij podgrzewanie maszyny do 482 stopni Celsjusza. W międzyczasie umieść tygiel w uchwycie tygla i załaduj posiekany stop do tygla.
Następnie ustaw palnik acetylenowy. Otwórz zawór podłączonego zbiornika tlenu i utrzymuj ciśnienie gazu w pobliżu 96.5 kilopaskali lub 14 PSI. Następnie ostrożnie zapal pochodnię i kontroluj intensywność płomienia za pomocą ciśnienia gazu.
Bądź bardzo ostrożny. Płomień osiąga do 1 200 stopni Celsjusza. Teraz ostrożnie rozpuść posiekany stop w tyglu, aż do całkowitego upłynnienia.
Użyj pręta węglowego, aby wymieszać stop i stopić go z neutralną częścią płomienia pochodni. Prawidłowe stopienie metalu ma kluczowe znaczenie, ponieważ jeśli metal jest zbyt chłodny, nie wypełni całej formy. Ale jeśli jest zbyt gorąco, rosnąca porowatość spowoduje problemy strukturalne.
Teraz wyjmij podgrzaną formę gipsową z pieca i załaduj ją do ramienia przytrzymującego kolbę obok tygla ze stopionym stopem. Zamknij pokrywę urządzenia i pozwól ramieniu obracać się przez co najmniej trzy minuty. Maszyna zaczyna się obracać automatycznie po zamknięciu pokrywy.
Około 420 obr./min wytwarza prędkość wlotową we wnęce formy wynoszącą 8,03 metra na sekundę, zgodnie z obliczeniami makroskopowej dynamiki cząstek i prędkości kątowej. Po trzech minutach odetnij zasilanie maszyny do odlewania odśrodkowego. Następnie otwórz pokrywę i za pomocą szczypiec wyjmij formę gipsową z kołyski kolby.
Pozostaw formę do ostygnięcia w temperaturze pokojowej przez 15 do 20 minut, aż kolor stopu powróci do koloru fazy stałej. Następnie za pomocą szczypiec ugasiaj formę gipsową w wiadrze z wodą przez około pięć minut. Gdy forma jest bliska temperaturze pokojowej, jest całkowicie hartowana.
Teraz, aby uzyskać metalową siatkę wewnątrz formy, wystarczy rozpuścić formę w wodzie. Forma Jibsen łatwo rozpuści się w ciągu dwóch minut. Możliwa jest teraz obróbka końcowa, taka jak czyszczenie przez piaskowanie, co jest opisane w protokole tekstowym.
Pamiętaj, aby użyć opisanego ciśnienia piaskowania, ponieważ formy są nieco delikatne, zwłaszcza aluminiowa kratownica oktetowa, która ma cienkie ścianki. Wykorzystując pośrednią produkcję addytywną opisaną w sekcji protokołu, do produkcji metali kratownicowych w oktetach użyto stopów aluminium i miedzi. Proces wypalania był prowadzony przez sześć godzin, aby stopić wzór ofiarny.
Po procesie odlewania odśrodkowego produktami końcowymi były oktetowe metale kratownicowe wykonane ze stopów aluminium i miedzi. Stopiony stop aluminium całkowicie wypełnił całą wnękę formy kratowej bez zakłóceń. Z drugiej strony, stopiony stop miedzi wydawał się mieć wadę odlewu spowodowaną przedwczesnym krzepnięciem na wczesnym etapie wtryskiwania stopionego metalu na wlocie.
Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć wpływ parametrów procesu na napełnianie stopionego metalu do mikrownęki komórkowej, wykonując pośrednie wytwarzanie metali kratowych za pomocą odlewania odśrodkowego. Po opracowaniu technika ta utorowała drogę naukowcom zajmującym się metalami kratowymi do zbadania wytwarzania pośredniego, łącząc drukowanie 3D polimerów z odlewaniem odśrodkowym.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Ten artykuł przedstawia pośrednią metodę produkcji dodatkowej, która łączy druk 3D polimerów z odlewnictwem wirowym w celu stworzenia metalowych krat octetowych 3D. Proces koncentruje się na produkcji stopów aluminium i miedzi o określonych wymiarach.
Kluczowe komponenty badania
Dziedzina nauki
- Nauki materiałowe
- Produkcja dodatkowa
- Metalurgia
Tło
- Badanie skupia się na produkcji metali kratownicowych przy użyciu zaawansowanych technik produkcyjnych.
- Podkreśla znaczenie parametrów procesu i właściwości materiałowych w odlewnictwie metali.
- Integracja druku 3D z odlewnictwem wirowym rozszerza możliwości projektowania.
- Zrozumienie przepływu i krystalizacji w mikroodlewnictwie jest kluczowe dla udanego wytworzenia.
Cel badania
- Aby pokazać proces wypełniania komórkowej mikroprzestrzeni stopionym metalem.
- Aby zbadać korelacje między parametrami procesu a właściwościami materiałowymi.
- Aby poprawić produkcję metali kratownicowych poprzez innowacyjne techniki.
Stosowane metody
- Wykorzystanie oprogramowania CAD do stworzenia ofiarnych wzorców.
- Druk 3D polimerowych form do odlewania.
- Odlewanie wirowe stopionych metali do zaprojektowanych form.
- Analiza dynamiki przepływu i krystalizacji podczas procesu odlewania.
Główne wyniki
- Skuteczna demonstracja wypełniania mikrokomórek stopionym metalem.
- Identyfikacja kluczowych parametrów wpływających na proces odlewania.
- Rozszerzenie wyboru materiałów dla projektowania metali kratownicowych.
- Walidacja zintegrowanej techniki produkcji.
Wnioski
- Złączona metoda poprawia produkcję złożonych struktur kratownicowych.
- Parametry procesu znacząco wpływają na jakość końcowego produktu.
- To podejście otwiera nowe kierunki dla projektowania materiałów w produkcji dodatkowej.
Często zadawane pytania
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.
