Непрямой изготовлении решетчатых металлов с шлифах с помощью центробежного литья
14 мая 2016 г.
Косвенный метод производства добавка комбинирования 3D-печать полимеров с помощью центробежного литья описано для изготовления стропильных металлов 3D октет (Al и Cu сплавов), имеющих длину элементарной ячейки 5 мм с толщиной стенки 0,5 мм.
Общая цель данного видео — продемонстрировать процесс заполнения ячеистой микрополости расплавленным металлом для изготовления решетчатых металлов методом центробежного литья. Этот материал поможет ответить на ключевые вопросы о том, как параметры процесса, свойства расплавленного металла и геометрия полости формы для решетки коррелируют с потоком и затвердеванием при быстром микролитье. Данный метод дополняет технологию прямой 3D-печати массивных металлов при производстве решетчатых структур и расширяет выбор материалов в пространстве проектирования решетчатых металлов.
Сегодня я продемонстрирую данную процедуру вместе с докторантом Jiwon Mun. В качестве подготовительного этапа с помощью программного обеспечения для компьютерного проектирования создайте модель жертвенной формы структуры октет-фермы с литниковой системой. Эта интегрированная модель структуры октет-фермы с литниковой системой расплавляется в процессе литья.
С помощью программного обеспечения CAD определите объем жертвенной модели для расчета необходимой массы металла. После печати акриловой модели переходите к процессу литья, который подробно описан в текстовом протоколе. Следующим шагом является выплавление вспомогательного материала.
После этого удаляются остатки вспомогательного материала. Затем собирается модель. После сборки выполняется процесс замешивания обкладочной массы.
Обязательно удалите все комочки из смеси инвестиционного материала с водой. Далее следует процесс выжигания. Для начала установите время на печи в соответствии с графиком нагрева и охлаждения.
Для колбы такого размера процесс выжигания займет шесть часов. Теперь включите печь и запустите программу выжигания. В ходе этого процесса жертвенная модель плавится и разлагается с образованием газа.
Теперь продолжите процесс литья, описанный в следующих двух разделах. Перед началом работы убедитесь, что плечо центробежной литейной машины вращается с угловой скоростью 425 RPM. Определите необходимую настройку для достижения этой скорости с помощью тахометра.
Выберите керамический тигель для плавления каждого сплава. С помощью металлического резака нарежьте сплавы на кусочки размером от 10 millimeter до 20 millimeter. Нарежьте примерно по 150 grams каждого сплава, которыми в данном случае являются алюминий и медь.
Теперь отмерьте точную массу каждого сплава, необходимую для создания решетки. Полость формы должна быть точно заполнена расплавленным сплавом до самого края. Теперь подготовьте емкость с водой комнатной температуры.
Достаточно 30 литров. Далее наденьте огнестойкую одежду, перчатки и защитные очки. Теперь временно извлеките гипсовую форму из печи.
Поместите его в ложе для колбы центрифуги для литья и сбалансируйте рычаг центрифуги. Затем верните гипсовую форму в печь и начните нагрев установки до 482 °C. Тем временем поместите тигель в держатель для тиглей и загрузите в него измельченный сплав.
Затем подготовьте ацетиленовую горелку. Откройте вентиль подключенного кислородного баллона и поддерживайте давление газа на уровне около 96.5 kilopascals или 14 PSI. Затем осторожно зажгите горелку и регулируйте интенсивность пламени с помощью давления газа.
Будьте предельно осторожны. Температура пламени достигает 1 200 °C. Теперь аккуратно расплавьте измельченный сплав в тигле до полного перевода в жидкое состояние.
Используйте угольный стержень для перемешивания сплава и расплавьте его нейтральной частью пламени горелки. Правильное плавление металла имеет решающее значение, так как при слишком низкой температуре металл не заполнит форму полностью. Однако при слишком высокой температуре повышенная пористость приведет к структурным проблемам.
Теперь извлеките предварительно нагретую гипсовую форму из печи и поместите ее в держатель лотка колбы рядом с тиглем с расплавленным сплавом. Закройте крышку аппарата и дайте плечу центрифуги вращаться в течение как минимум трех минут. Аппарат начинает вращение автоматически после закрытия крышки.
Скорость вращения около 420 RPM обеспечивает скорость потока на входе в литниковое отверстие формы 8,03 метра в секунду, согласно расчетам макроскопической динамики частиц и угловой скорости. Через три минуты выключите питание центрифужной литейной машины. Затем откройте крышку и с помощью щипцов извлеките гипсовую форму из ложемента флакона.
Дайте форме остыть при комнатной температуре в течение 15–20 минут, пока цвет сплава не станет таким же, как в твердой фазе. Затем, используя щипцы, погрузите гипсовую форму в ведро с водой примерно на пять минут. Когда форма достигнет температуры, близкой к комнатной, процесс закалки будет завершен.
Теперь, чтобы извлечь металлическую решетку из формы, достаточно просто растворить форму в воде. Форма Jibsen легко растворится в течение двух минут. Теперь возможна последующая обработка, например, очистка путем пескоструйной обработки, которая описана в текстовом протоколе.
Обязательно используйте описанное давление пескоструйной обработки, так как формы довольно хрупкие, особенно алюминиевая ферма octet с тонкими стенками. С помощью метода косвенного аддитивного производства, описанного в разделе «Протокол», для изготовления металлических ферм octet использовались алюминиевые и медные сплавы. Процесс выжигания проводили в течение шести часов для выплавления жертвенной модели.
После процесса центробежного литья конечными изделиями стали металлические конструкции с октетной решеткой, изготовленные из алюминиевых и медных сплавов. Расплав алюминиевого сплава полностью заполнил всю полость формы решетки без образования недоливов. С другой стороны, в изделии из медного сплава наблюдался дефект литья, вызванный преждевременным затвердеванием на ранней стадии впрыска расплавленного металла через литниковую чашу.
После просмотра этого видео вы должны получить четкое представление о влиянии параметров процесса на заполнение расплавленным металлом клеточных микрополостей при косвенном изготовлении металлических решеток методом центробежного литья. После своей разработки этот метод открыл исследователям в области металлических решеток путь к изучению косвенного изготовления путем сочетания 3D-печати полимеров с центробежным литьем.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данной статье описывается метод непрямого аддитивного производства, сочетающий 3D-печать полимерами с центробежным литьем для создания металлических трехмерных октет-ферм. Процесс ориентирован на изготовление изделий из алюминиевых и медных сплавов с заданными размерами.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Материаловедение
- Аддитивное производство
- Металлургия
Теоретические основы
- В данном исследовании рассматривается изготовление решетчатых металлов с использованием передовых методов производства.
- В работе подчеркивается важность параметров процесса и свойств материалов при литье металлов.
- Интеграция 3D-печати с центробежным литьем расширяет возможности проектирования.
- Понимание процессов течения и затвердевания при микролитье имеет решающее значение для успешного изготовления.
Цель исследования
- Продемонстрировать процесс заполнения клеточной микрополости расплавленным металлом.
- Исследовать взаимосвязь между параметрами процесса и свойствами материала.
- Усовершенствовать изготовление металлических решеток с помощью инновационных методов.
Используемые методы
- Использование программного обеспечения для автоматизированного проектирования при создании жертвенных моделей.
- 3D-печать полимерных форм для литья.
- Центробежное литье расплавов металлов в разработанные формы.
- Анализ динамики потока и затвердевания в процессе литья.
Основные результаты
- Успешная демонстрация заполнения микрополостей расплавленным металлом.
- Определение ключевых параметров, влияющих на процесс литья.
- Расширение выбора материалов для проектирования металлических решеток.
- Валидация интегрированного метода производства.
Выводы
- Комбинированный метод позволяет усовершенствовать изготовление сложных решетчатых структур.
- Параметры процесса оказывают значительное влияние на качество конечного продукта.
- Данный подход открывает новые возможности для проектирования материалов в аддитивном производстве.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для отрасли
Данный подход непрямого аддитивного производства позволяет экономически эффективно создавать сложные металлические решетчатые структуры, устраняя такие ограничения прямого аддитивного производства металлов, как высокая стоимость и ограниченный выбор материалов. Благодаря сочетанию 3D-печати жертвенных форм с центробежным литьем этот метод расширяет возможности выбора материалов и обеспечивает быстрое прототипирование облегченных конструкций. Он представляет собой масштабируемый способ предварительной оценки геометрии решеток в рабочих процессах по поиску и разработке новых материалов.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранний поиск и валидация мишени
- Научная ценность: позволяет исследовать взаимосвязь между структурой и свойствами решетчатых архитектур для проектирования биомиметических материалов.
- Практическая ценность: обеспечивает возможность быстрой итерации геометрии решеток с помощью полимерной печати перед переходом к изготовлению из металла.
Скрининг и разработка анализа
- Научная ценность: Позволяет получать воспроизводимые образцы металлических решеток с контролируемой толщиной стенок и размерами элементарной ячейки для проведения механических испытаний.
- Практическая ценность: Стандартизирует процесс подготовки образцов за счет точного расчета объема жертвенного шаблона и параметров центробежного литья.
Трансляционные и доклинические исследования
- Научная ценность: Облегчает оценку кристаллических решеток алюминиевых и медных сплавов для потенциального использования в имплантатах или технических устройствах.
- Практическая ценность: Позволяет оценить дефекты литья, связанные с преждевременной кристаллизацией, что дает возможность оптимизировать технологический процесс для обеспечения надежности при внедрении в практику.
Интеграция в конвейеры и рабочие процессы
Данный метод встраивается в рабочие процессы от этапа ранних открытий до доклинических исследований, обеспечивая связующее звено между цифровым проектированием и физической валидацией прототипов металлических решеток.
- Фундаментальная биология: обеспечивает проверку гипотез о влиянии геометрии решетки на механический отклик в симулированных физиологических средах.
- Скрининг: предоставляет количественные показатели, такие как точность размеров и образование дефектов при контролируемых параметрах процесса.
- Аналитика: позволяет установить корреляцию между скоростью центрифугирования (425 RPM), температурой расплава (482°C) и скоростью потока (8.03 m/s) и успехом литья.
- Трансляционные исследования: выявляют специфические для материала проблемы, такие как преждевременное затвердевание медного сплава, что критически важно для оценки рисков при разработке устройств.
- Корпоративное повторное использование: создает многократно используемую платформу, в которой жертвенные модели могут быть перепроектированы для различных решетчатых систем без изменения основной инфраструктуры литья.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Снижает механистическую неопределенность при установлении связи между параметрами обработки и итоговой целостностью решетки.
- Операционная ценность: Повышает воспроизводимость за счет стандартизированных этапов: измерения объема шаблона, шестичасового выжигания и контролируемого закаливания.
- Стратегическая ценность: Снижает капитальный барьер для исследования металлических решеток за счет исключения необходимости в оборудовании для прямого аддитивного производства металлов.
- Влияние на портфель проектов: Позволяет принимать решения о целесообразности дальнейшего использования систем материалов для решеток на основе успеха литья и структурной точности.
Особенности реализации
- Требуется опыт в области САПР-проектирования, 3D-печати полимерами и протоколах безопасности при литье металлов.
- Необходим доступ к установке для центробежного литья с возможностью достижения 425 RPM, печам для выжигания по моделям при 482°C и оборудованию для плавления металла с помощью ацетиленовой горелки.
- Требуется стандартизация процесса смешивания формовочной смеси и графиков выжигания между исследовательскими группами для обеспечения целостности формы.
- Необходима адаптация параметров процесса при изменении геометрии решетки или системы сплавов (например, Al против Cu).
- Ограничением является хрупкость формы при постобработке, особенно для тонкостенных алюминиевых решеток, требующих низконапорной пескоструйной обработки.
