Fabrication indireta de Malha Metals com cortes finos Usando Fundição
14 de maio de 2016
Um método de fabrico aditivo indirecta combinando uma impressão em 3D de polímeros com uma fundição centrífuga é delineado para o fabrico de metais treliça octeto 3D (Al e Cu ligas) com um comprimento de célula unitária de 5 mm com uma espessura de parede de 0,5 mm.
O objetivo geral deste vídeo é demonstrar o processo de preenchimento de uma microcavidade celular com metal fundido para a fabricação de metais em rede por fundição centrífuga. Esta demonstração pode ajudar a responder perguntas fundamentais, como, por exemplo, de que forma os parâmetros do processo, as propriedades do material do metal fundido e a geometria da cavidade do molde em rede estão correlacionados com o escoamento e a solidificação na microfundição rápida. Esta técnica complementa a impressão 3D direta em grande escala de metais na fabricação de metais em rede e amplia a seleção de materiais no espaço de projeto desses metais em rede.
Hoje, demonstrarei o procedimento junto com a estudante de doutorado Jiwon Mun. Como preparação, desenhe um padrão sacrificial de uma estrutura em treliça octet com um sistema de canal de alimentação utilizando um software de design assistido por computador. Esse padrão integrado de uma estrutura em treliça octet com um sistema de canal de alimentação é derretido durante a fundição.
Utilizando o software CAD, registre o volume do padrão sacrificável para calcular a massa metálica necessária. Após imprimir o modelo acrílico, prossiga com o processo de fundição, descrito em detalhes no protocolo textual. O próximo passo é a fusão do material de suporte.
Em seguida, o resíduo do material de apoio é removido adicionalmente. Então, o padrão é montado. Após a montagem, realiza-se um processo de mistura do revestimento.
Certifique-se de remover todos os grumos na mistura de água e massa de revestimento. Em seguida, realiza-se o processo de queima. Para começar, ajuste o tempo no forno de acordo com o programa de aquecimento e resfriamento.
Para um cadinho deste tamanho, a queima levará seis horas. Agora, ligue o forno e inicie o programa de queima. Durante a queima, o padrão sacrificável derrete e se dissocia em um gás.
Agora, prossiga com o processo de fundição descrito nas duas próximas seções. Antes de iniciar, certifique-se de que o braço da máquina de fundição centrífuga gire com uma velocidade angular de 425 RPM. Encontre a configuração necessária para essa velocidade utilizando um tacômetro.
Selecione um cadinho de cerâmica para fundir cada liga. Usando um cortador de metal, corte as ligas em pedaços de 10 milímetros a 20 milímetros. Corte cerca de 150 gramas de cada liga, que neste caso são alumínio e cobre.
Agora, pese com precisão a massa de cada liga necessária para o projeto da estrutura. A cavidade do molde deve ser preenchida exatamente até a capacidade com a liga fundida. Agora, prepare um balde com água à temperatura ambiente.
30 litros é suficiente. Em seguida, coloque roupas resistentes ao fogo e coloque luvas e óculos de proteção. Agora, retire temporariamente o molde de gesso do forno.
Coloque-o na garrafa do frasco da máquina de fundição centrífuga e equilibre o braço da centrífuga. Em seguida, devolva o molde de gesso de volta ao forno e inicie o aquecimento da máquina até 482 graus Celsius. Enquanto isso, coloque o cadinho no suporte de cadinho e carregue a liga cortada dentro do cadinho.
Em seguida, prepare o maçarico de acetileno. Abra a válvula do tanque de oxigênio conectado e mantenha a pressão do gás próxima a 96,5 quilopascal ou 14 PSI. Em seguida, acenda cuidadosamente o maçarico e controle a intensidade da chama com a pressão do gás.
Seja muito cuidadoso. A chama atinge até 1.200 graus Celsius. Agora, derreta cuidadosamente a liga picada no cadinho até que esteja completamente liquefeita.
Use uma haste de carbono para mexer a liga e derretê-la com a parte neutra da chama do maçarico. A fusão adequada do metal é essencial, pois se o metal estiver muito frio, não preencherá toda a forma. No entanto, se estiver muito quente, o aumento da porosidade causará problemas estruturais.
Agora, retire o molde de gesso pré-aquecido do forno e coloque-o no braço do suporte da cápsula localizado ao lado do cadinho com a liga fundida. Feche a tampa da máquina e deixe o braço girar por pelo menos três minutos. A máquina começa a girar automaticamente quando a tampa é fechada.
Aproximadamente 420 RPM cria uma velocidade de entrada na cavidade do molde de 8,03 metros por segundo, conforme calculado pela dinâmica macroscópica de partículas e pela velocidade angular. Após três minutos, desligue a energia da máquina de fundição centrífuga. Em seguida, abra a tampa e, utilizando pinças, remova o molde de gesso do suporte do cadinho.
Deixe o molde esfriar à temperatura ambiente por 15 a 20 minutos, até que a cor da liga retorne àquela de sua fase sólida. Em seguida, usando pinças, mergulhe o molde de gesso no balde com água por cerca de cinco minutos. Quando o molde estiver próximo à temperatura ambiente, ele estará completamente temperado.
Agora, para obter o metal da estrutura dentro do molde, basta dissolver o molde em água. O molde Jibsen dissolver-se-á facilmente em até dois minutos. A pós-processagem agora é possível, como a limpeza por jateamento com areia, descrita no protocolo textual.
Certifique-se de usar a pressão de jateamento descrita, pois as moldes são um pouco frágeis, especialmente a treliça octogonal de alumínio, que possui paredes finas. Utilizando a fabricação aditiva indireta descrita na seção de protocolo, ligas de alumínio e cobre foram usadas para produzir metais com estrutura de treliça octogonal. O processo de queima foi realizado durante seis horas para derreter o molde sacrificial.
Após o processo de fundição centrífuga, os produtos finais foram estruturas metálicas em treliça octetérica fabricadas com ligas de alumínio e cobre. A liga de alumínio fundido preencheu completamente toda a cavidade do molde da treliça sem apresentar falta de preenchimento. Por outro lado, a liga de cobre fundido apresentou um defeito de fundição causado pela solidificação prematura no estágio inicial de injeção do metal fundido na entrada.
Após assistir a este vídeo, você deverá ter uma boa compreensão do efeito dos parâmetros do processo no preenchimento de metal fundido em microcavidades celulares, realizando a fabricação indireta de metais em estrutura reticulada por meio da fundição centrífuga. Após seu desenvolvimento, esta técnica abriu caminho para pesquisadores na área de metais reticulados explorarem a fabricação indireta, combinando a impressão 3D de polímeros com a fundição centrífuga.
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Visão Geral
Este artigo descreve um método indireto de fabricação aditiva que combina a impressão 3D de polímeros com fundição centrífuga para criar metais com estrutura tridimensional em treliça octet. O processo concentra-se na fabricação de ligas de alumínio e cobre com dimensões específicas.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Ciência dos Materiais
- Fabricação Aditiva
- Metalurgia
Antecedentes
- O estudo explora a fabricação de metais em rede utilizando técnicas avançadas de manufatura.
- Destaca a importância dos parâmetros do processo e das propriedades do material na fundição de metais.
- A integração da impressão 3D com a fundição centrífuga amplia as possibilidades de projeto.
- Compreender o escoamento e a solidificação na microfundição é essencial para uma fabricação bem-sucedida.
Objetivo do Estudo
- Demonstrar o processo de preenchimento de uma microcavidade celular com metal fundido.
- Investigar a correlação entre parâmetros do processo e propriedades do material.
- Aprimorar a fabricação de metais em estrutura reticulada por meio de técnicas inovadoras.
Métodos Utilizados
- Utilização de software de design assistido por computador para criar padrões sacrificáveis.
- Impressão 3D de moldes poliméricos para fundição.
- Fundição centrífuga de metais fundidos em moldes projetados.
- Análise da dinâmica de fluxo e solidificação durante o processo de fundição.
Resultados Principais
- Demonstração bem-sucedida do preenchimento de microcavidades com metal fundido.
- Identificação dos parâmetros-chave que influenciam o processo de fundição.
- Ampliação da seleção de materiais para o projeto de estruturas metálicas reticuladas.
- Validação da técnica integrada de fabricação.
Conclusões
- O método combinado aprimora a fabricação de estruturas de rede complexas.
- Os parâmetros do processo afetam significativamente a qualidade do produto final.
- Essa abordagem abre novas possibilidades para o design de materiais na fabricação aditiva.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
Essa abordagem indireta de manufatura aditiva permite a produção econômica de metais com estruturas em treliça complexas, superando limitações da manufatura aditiva direta de metais, como alto custo e restrições de material. Ao combinar padrões sacrificáveis impressos em 3D com fundição centrífuga, o método amplia a seleção de materiais e possibilita a prototipagem rápida de estruturas leves. Ele oferece um caminho escalonável para a avaliação inicial de geometrias em treliça em fluxos de trabalho de descoberta de materiais.
Aplicações Estratégicas em P&D de Biotecnologia Farmacêutica
Descoberta Inicial e Validação de Alvo
- Valor Científico: Permite investigar as relações entre estrutura e propriedades em arquiteturas de treliça para o desenvolvimento de materiais biomiméticos.
- Valor Operacional: Permite a rápida iteração de geometrias de treliça utilizando impressão polimérica antes do comprometimento com metal.
Triagem e Desenvolvimento de Ensaios
- Valor Científico: Produz amostras metálicas com rede cristalina reprodutível e com espessura de parede e dimensões da célula unitária controladas para testes mecânicos.
- Valor Operacional: Padroniza a preparação de amostras por meio do cálculo preciso do volume do padrão sacrificável e dos parâmetros de fundição centrífuga.
Pesquisa Translacional e Pré-clínica
- Valor Científico: Facilita a avaliação de sistemas de rede de ligas de alumínio e cobre para uso potencial em aplicações implantáveis ou em dispositivos.
- Valor Operacional: Permite a avaliação de defeitos de fundição relacionados à solidificação prematura, orientando a otimização do processo para garantir confiabilidade translacional.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
O método se insere nos fluxos de trabalho de descoberta inicial a pré-clínico ao fornecer uma ponte entre o design digital e a validação física de protótipos metálicos em treliça.
- Biologia da Descoberta: Apoia a verificação de hipóteses sobre como a geometria da estrutura influencia a resposta mecânica em ambientes fisiológicos simulados.
- Triagem: Fornece resultados quantificáveis, como fidelidade dimensional e formação de defeitos, sob parâmetros de processo controlados.
- Análise: Permite correlacionar a velocidade centrífuga (425 RPM), a temperatura de fusão (482°C) e a velocidade de fluxo (8,03 m/s) com o sucesso do vazamento.
- Pesquisa Translacional: Destaca desafios específicos do material, como a solidificação prematura de ligas de cobre, essenciais para a avaliação de riscos no desenvolvimento de dispositivos.
- Reutilização Empresarial: Estabelece uma plataforma reutilizável na qual padrões sacrificáveis podem ser redesenhados para diferentes sistemas de estruturas sem alterar a infraestrutura básica de vazamento.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Reduz a ambiguidade mecanicista ao relacionar parâmetros de processamento com a integridade final da estrutura reticulada.
- Valor Operacional: Melhora a reprodutibilidade por meio de etapas identificáveis: medição do volume do padrão, queima de seis horas e resfriamento controlado.
- Valor Estratégico: Reduz a barreira de capital para a exploração de metais em estrutura reticulada, evitando o uso de equipamentos de manufatura aditiva direta com metal.
- Impacto no Portfólio: Permite decisões de prosseguir ou não com sistemas de materiais reticulados com base no sucesso da fundição e na fidelidade estrutural.
Considerações sobre a Implementação
- Exige experiência em design CAD, impressão 3D com polímeros e protocolos de segurança para fundição de metais.
- Requer acesso a fundição centrífuga capaz de 425 RPM, fornos para queima a 482°C e fusão de metais por maçarico de acetileno.
- Exige padronização da mistura do molde cerâmico e dos cronogramas de queima entre as equipes para garantir a integridade do molde.
- Requer adaptação dos parâmetros do processo ao alterar a geometria da estrutura em treliça ou o sistema de liga (por exemplo, Al vs Cu).
- Limitado pela fragilidade do molde durante o pós-processamento, especialmente para estruturas em treliça de alumínio com paredes finas, que exigem jateamento com baixa pressão.
