Summary
Un procédé de fabrication d'un additif indirect combinant une impression en 3D de polymères avec une coulée centrifuge est décrite pour la fabrication de métaux en treillis d'octets 3D (Al et alliages de Cu) ayant une longueur de maille de 5 mm, avec une épaisseur de paroi de 0,5 mm.
Abstract
Une des méthodes typiques pour la fabrication de métaux en treillis 3D est la fabrication (AM) processus additif direct de métal tel que le laser sélectif de fusion (SLM) et faisceau d'électrons de fusion (EBM). En dépit de sa capacité de traitement potentiel, la méthode AM directe présente plusieurs inconvénients tels que le coût élevé, la mauvaise finition de surface des produits finis, limitation dans le choix des matériaux, le stress thermique et des propriétés anisotropes de pièces. Nous proposons une méthode rentable pour la fabrication de métaux en treillis 3D. L'objectif de cette étude est de fournir un protocole détaillé sur la fabrication des métaux en treillis 3D ayant une forme complexe et une épaisseur de paroi mince, par exemple, truss d'octets en Al et alliages de Cu ayant une longueur de cellule unitaire de 5 mm et une épaisseur de paroi cellulaire de 0,5 mm. Une procédure expérimentale globale est divisée en huit sections: (a) l'impression 3D de motifs sacrificiels (b) à l'état fondu à partir de matériaux de support (c) de l'élimination des résidus de matériaux de support (d) motif assembly (e) l'investissement (f) burn-out des motifs sacrificiels (g) centrifuge coulée (h) de post-traitement pour les produits finaux. La technique AM indirecte proposée offre la possibilité de fabriquer des métaux en treillis ultra-légers;. Par exemple, des structures en treillis avec les alliages d' Al. Il apparaît que les paramètres du procédé doivent être correctement contrôlées en fonction des matériaux et la géométrie du réseau, en observant les produits finaux des métaux octet en treillis selon la technique AM indirecte.
Introduction
Les métaux sont les métaux cellulaires constitués d'un réseau interconnecté de supports solides ou de plaques et ont des micro-architectures complexes avec des vides 1. Des exemples comprennent à la fois i) des mousses stochastiques structurés de façon aléatoire et ii) commandé périodiquement en deux dimensions (2D) honeycombs et en trois dimensions (structures en treillis 3D) en treillis. Ils ont reçu l' attention en raison de leur rigidité spécifique élevée et la force 1-3 et haute résilience spécifique 4-5, une excellente absorption d'énergie pour la charge d' impact 6, isolation acoustique 7, possible conception de dissipateurs de chaleur et des échangeurs de chaleur 8. En particulier, les structures en treillis commandés périodiquement ont le potentiel pour concevoir les propriétés supérieures avec une capacité de contrôler la géométrie interne du réseau poreux.
En raison de leur géométrie complexe du réseau poreux interne, il est difficile de fabriquer des métaux cellulaires en utilisant le soustractive classique machining. À ce titre, les chercheurs ont commencé à chercher des méthodes alternatives pour fabriquer des métaux cellulaires: la formation de gaz dans le métal liquide ou mélange de poudre de métal avec des agents d' expansion ont été explorées pour la fabrication de formes métalliques stochastiques 9. En raison du manque de contrôle sur la topologie de la cellule, il est difficile d'adapter les propriétés mécaniques. Alternativement, les méthodes pour les métaux cellulaires commandés périodiquement de fabrication ont été explorées: éradiquons minces feuilles de métal dans une forme ondulée puis en les joignant à créer des structures périodiques 10, collage fendu feuilles métalliques 11, extrusion 12, le tissage et flamboyants filaments métalliques pour fabriquer des textiles 13. Même si ces méthodes de fabrication offrent des modèles reproductibles, les modèles sont encore limités dans la direction plane. Dans un effort pour générer 3D répétition de motifs, les chercheurs ont commencé à utiliser la fabrication additive (AM); par exemple, Selective Laser Melting (SLM) 14, faisceau d' électrons de fusion (EBM)
La combinaison de polymère AM à base de coulée de métal peut fournir une méthode alternative pour la fabrication de métaux en treillis. On peut appeler cela «AM indirecte». AM indirecte peut fournir une solution pour résoudre les problèmes techniques AM directe des métaux mentionnés ci-dessus. Plusieurs efforts ont été made la fabrication des métaux du réseau à l' aide indirecte SUIS combinant l' impression 3D de polymères avec gravité sur la base coulée 22-25, par exemple, une coulée d'investissement combinée à la modélisation des dépôts fondu (FDM) pour fabriquer un alliage de réseau 22-25 ou du sable de coulée combinée avec une poudre de sable AM 23 sur la base. La coulée en fonction de la gravité semble rester un défi technique pour surmonter - misrun et de la porosité provoquée par la solidification soudaine de métaux en fusion quand ils rencontrent des structures de réseau avec des coins pointus de moules structurels treillis 25-26. Relativement grande surface de moules de structure en treillis semble également contribuer à un refroidissement brusque, entraînant une solidification prématurée 25-26.
Dans cette étude, nous proposons une AM indirecte alternative qui peut surmonter la misrun lors de la fabrication des métaux en treillis - coulée centrifuge à une cavité de moule en treillis par un motif de polymère en treillis sacrificielle 3D imprimé. Nous utilisons un numériquetraitement de la lumière (DLP) Méthode d'impression 3D à base de construire un modèle sacrificiel structurel réseau suivie par coulée centrifuge d'Al et alliages de Cu. L'objectif de cette étude est de fournir un protocole détaillé sur la fabrication des métaux en treillis 3D ayant une forme complexe et une épaisseur de paroi mince. La principale contribution de ce processus est de fournir une occasion d'étendre la sélection des matériaux à faible coût de fabrication pour la fabrication de métaux en treillis.
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Protocol
1. Planification de l'expérience
- Dessinez un modèle sacrificiel (une structure en treillis d'octets avec un système de coulée) en utilisant la conception assistée par ordinateur (CAO) comme le montre la Figure 1 et enregistrez le modèle CAO en tant que format de fichier STL.
Remarque: le motif est un motif sacrificiel intégré de la structure en treillis d'octets avec un système de canal de coulée qui sera finalement fondu pour la coulée. Parce que le modèle sacrificielle comprend à la fois la structure en treillis de l'octet et le système de coulée, il ne représente pas exactement l'octet ferme elle-même. Un fichier STL du motif sacrificiel est fourni. Noter le volume du motif sacrificiel fourni par le logiciel de CAO, qui sera utilisé pour le calcul de la masse de métaux. - Ouvrir le dessin CAO du modèle sacrificiel sur le logiciel d'impression 3D connecté à une imprimante 3D pour imprimer le motif.
- Assurez-vous que l'imprimante 3D a assez UV plastique curable / coulable acrylique et un matériau de support en une ciredans les cartouches d'imprimante.
2. Fabrication du modèle sacrificiel
- Fabriquer le motif sacrificiel constitué par la structure de l' octet de la poutrelle et le système de carotte de coulée à l' aide d' une imprimante 3D (figure 2A - C).
Remarque: Les processus en 2.1.3 - 2.1.7 ne sont pas nécessaires si une imprimante 3D qui ne génère pas de documents à l'appui est utilisé.- Envoyer un fichier STL du motif sacrificiel à l'imprimante 3D pour imprimer un motif sacrificielle (figure 2A).
- Faire fondre un matériau de support de la structure sacrificielle dans un four à une température supérieure à la température de fusion du matériau de support (60 - 70 ° C) pendant 2 heures (figure 2B).
Remarque: La température pour éliminer le matériau de support ne doit pas être trop élevé. Dans le cas contraire, il peut causer des dommages à la structure sacrificielle. Le motif sacrificielle commence à s'endommagé à environ 80 ° C dans cette étude.
Note: La température de fusion de support matériaux varie avec les imprimantes 3D où les matériaux de support différents peuvent être utilisés. - Remplir un nettoyeur à ultrasons numérique avec huile pour bébé jusqu'à 2,5 L, le volume maximal que le nettoyeur peut contenir (figure 2C).
Remarque: Il a été recommandé par le fournisseur de l'imprimante 3D à utiliser l'huile de bébé pour dissoudre les résidus de matériau de support de type cire. - Mettez le motif sacrificiel dans le nettoyeur à ultrasons numérique et tourner sur la puissance de l'aspirateur (figure 2C). Assurez-vous que le modèle sacrificiel est complètement immergée dans l'huile.
- Enlever les résidus de matériau de support en trempant le motif sacrificiel dans l'huile à 65 ° C pendant 40 min (figure 2C).
- Prendre le motif sacrificiel de l'aspirateur si le matériau de support est complètement enlevé.
- Avoir le motif sacrificiel sec avec un ventilateur à la température ambiante (~ 20 ° C) (figure 2C).
Remarque: Il faut environ 2 heuresjusqu'à ce que l'huile sur la surface du motif sacrificiel est complètement séché. Considérons le modèle sacrificiel pour être complètement desséchés si la surface est non collante.
3. Fabrication de moules
- Assemblée Pattern
- Fixer un joint en caoutchouc pour le motif sacrificiel (le treillis d'octets avec le système de canal de coulée) et les placer sur le fond d'un récipient en forme de cylindre avec une hauteur de 6,35 cm et un diamètre de 6,35 cm (figure 2D).
Note: Préparer deux flacons pour la coulée chaque métal; Al et alliages de Cu. - Double vérifier le joint en caoutchouc avec le motif sacrificiel est complètement attaché au fond du flacon.
- Envelopper le ballon avec un ruban adhésif de telle sorte que le mélange investissement poudre-eau, dont la procédure sera décrite dans la section suivante, ne peut pas fuir du ballon.
- Fixer un joint en caoutchouc pour le motif sacrificiel (le treillis d'octets avec le système de canal de coulée) et les placer sur le fond d'un récipient en forme de cylindre avec une hauteur de 6,35 cm et un diamètre de 6,35 cm (figure 2D).
- Préparation du moule d'investissement
- Préparer la poudre d'investissement (CaSO 4 3) de 89 g, ce qui est 87.16 ml. Utiliser une balance pour peser la poudre d'investissement.
Remarque: Les propriétés physiques de la poudre de placement sont présentés dans le tableau 1. - Verser la poudre d'investissement dans un bol de mélange (1 L).
- Versez de l'eau (114 ml) dans le bol de mélange. Utilisez un bécher pour mesurer le volume d'eau.
- Mélanger la poudre d'investissement avec de l'eau dans le bol pendant 3 min. Bien mélanger jusqu'à ce qu'il n'y ait pas de grumeaux dans le mélange investissement poudre-eau. Dans le cas contraire, il peut provoquer une mauvaise qualité du moule d'investissement de surface. Suivez le flux de travail, comme le montre la figure 3.
- Afin d'éliminer les bulles d'air dans le mélange, placez le bol dans une chambre à vide pendant 90 secondes jusqu'à ce que les bulles d'air ne peuvent pas être vus dans le mélange avec les yeux nus (figure 3).
- Verser le mélange dans un ballon à incorporer le motif sacrificiel et le joint en caoutchouc (figure 2E).
- Placez les flask dans la chambre à vide à nouveau pendant 90 secondes pour éliminer le résidu de bulles d'air à l' intérieur du mélange (figure 3).
- Sécher le mélange dans la fiole jusqu'à ce qu'elle soit durcie à la température ambiante (figure 3).
Remarque: En règle générale, il faut environ 10 à 15 minutes pour que le mélange soit durci à la température ambiante. - Retirer le flacon et le joint en caoutchouc au fond du mélange dans le flacon une fois que le mélange est durci (figure 3). Ce produit peut être appelé un moule en plâtre.
- Préparer la poudre d'investissement (CaSO 4 3) de 89 g, ce qui est 87.16 ml. Utiliser une balance pour peser la poudre d'investissement.
- Burnout
- Mettre en place un temps burn-out dans un four en suivant le chauffage et le calendrier de refroidissement (Figure 4) chauffage 23-150 ° C à 2,1 C / min; 150-370 C à 3,7 C / min; 370-480 C à 1,85 C / min; 480-730 C à 4.17 C / min; 730 C pendant 1 heure; refroidissement 730-480 C à -4.17 C / min.
Remarque: Le temps de burn-out vars avec la taille d'un ballon. Dans cette étude, régler l'heure burn-out à 6 h. - Placer le moule en plâtre , dans un four (figure 2F).
- Allumez le four et augmenter la température dans le four pour enlever le motif sacrificiel à l'intérieur du moule en plâtre. Suivre la condition de température de la figure 4.
Remarque: Comme les UV en matière plastique acrylique durcissable / coulable, les matériaux du motif sacrificiel, est une matière plastique thermodurcissable, un polymère acrylique, il ne coule pas, mais se dissocie en une phase gazeuse dans le four.
- Mettre en place un temps burn-out dans un four en suivant le chauffage et le calendrier de refroidissement (Figure 4) chauffage 23-150 ° C à 2,1 C / min; 150-370 C à 3,7 C / min; 370-480 C à 1,85 C / min; 480-730 C à 4.17 C / min; 730 C pendant 1 heure; refroidissement 730-480 C à -4.17 C / min.
- Coulée centrifuge (Figure 2G)
- Assurez-vous que le bras de la machine de coulée centrifuge tourne avec une vitesse angulaire de 425 tours par minute à l'aide d'un compte-tours après la mise sous tension d'une machine de coulée centrifuge.
- Préparer deux creusets en céramique qui peut contenir un alliage de 150 g pour faire fondre. Utilisez creusets séparés pour Al et alliages de Cu pour les empêcher d'être contaminés par each autre.
- Allumer la puissance de la machine de coulée centrifuge.
- En utilisant un outil de coupe du métal, des alliages hacher en morceaux de 10 - 20 mm de longueur. Préparez-les assez pour remplir complètement la cavité du moule dont le volume devrait être le même que le modèle sacrificiel.
Note: La masse des métaux nécessaires pour remplir le même volume de la cavité du moule varie considérant densité variable pour chaque métal. - Porter des chiffons retardatrices de flamme et des gants, et des lunettes. Préparer un seau d'eau (30 L) à la température ambiante.
- Prenez le moule en plâtre temporairement hors du four dans la section 3.3, installez - le dans le berceau du ballon et d' équilibrer le bras de la machine de coulée centrifuge (figure 5).
- Placez le moule en plâtre dans le four et préchauffer à 482 ° C avant la coulée.
- Placer le creuset dans le porte - creuset (figure 5).
- Mettez l'alliage haché dans le creuset.
- Ouvrez le robinet d'un oxygèneréservoir relié à une torche à oxygène-acétylène et de maintenir un niveau de pression dans le réservoir de 96,5 kPa (14 psi).
- Allumer la torche à oxygène-acétylène avec un briquet et de contrôler l'intensité de la flamme en ajustant le mélange des gaz.
Remarque: La prudence est nécessaire lors de l'utilisation de la torche à oxygène-acétylène. Sa température maximale de la flamme est d'environ 1200 ° C. - Faire fondre un alliage haché (alliage d'Al ou d'un alliage Cu) avec la torche dans le creuset jusqu'à ce que l'alliage devient complètement liquide.
- Agiter l'alliage dans le creuset à l'aide d'une tige de carbone jusqu'à ce que l'alliage haché soit complètement fondu.
- Placez le moule en plâtre dans le berceau du ballon en arrière à côté du creuset contenant un alliage en fusion (Figure 5).
- Fermez le couvercle de la machine de coulée centrifuge, laissez le bras rotation centrifuge et attendre au moins pendant 3 min.
Remarque: La machine de coulée centrifuge commence à fonctionner dès que le couvercle de la machine de coulée est fermée. Le bras de centrifugationtourne à une vitesse de 425 tours par minute , qui correspond à la vitesse d'entrée dans la cavité de moule du motif sacrificiel, v r = 8,03 m / s 28, 29 sur la figure 5 où l'orifice d' entrée à vitesse est calculée en utilisant la dynamique des particules macroscopiques à partir d' un angle vitesse de la coulée centrifuge bras 28, 29. - Couper l'alimentation de la machine de coulée centrifuge après la rotation 3 min du bras.
- Ouvrez le couvercle de la machine de coulée.
- Prenez le moule en plâtre sur le berceau du ballon à l'aide de pinces.
- Maintenir le moule à la température ambiante pendant 15 - 20 min jusqu'à ce que la couleur de l'alliage fondu se tourne vers son origine dans une phase solide.
- L'aide de pinces, tremper le moule en plâtre dans l'eau placé dans un seau (30 L) à température ambiante pendant environ 5 min. Assurez-vous que la température du moule en plâtre est proche de RT après la trempe.
- Afin d'obtenir le métal en treillis à l'intérieur du moule, on dissout lemoule dans l'eau. Le moule en plâtre se dissout facilement dans l'eau.
4. post-traitement pour les produits finaux de Octet Truss Metals
- Allumez la puissance d'une sableuse.
- Placez les métaux octet de ferme sur la plate-forme à l'intérieur de la sableuse et fermer la porte de la machine.
- Mettez des gants et de saisir le pistolet sableuse.
- Prenez la partie de coulée du produit métallique et souffler le plâtre résiduel du treillis métallique avec la sableuse pendant 2 heures.
Remarque: L'intensité de la sableuse est automatiquement fixé approximativement à 550 kPa. Une fois que la sableuse est actionné, l'air sort automatiquement du pistolet. - Gardez la sableuse en cours d'exécution jusqu'à ce que le résidu de plâtre d'investissement à l'intérieur du métal octet en treillis est complètement enlevée lors de la vérification à l'œil nu.
Remarque: Il n'y a pas un critère microscopique sur l'élimination des résidus de plâtre. Cela dépasse le cadre de cette étude. Til enlèvement du résidu de plâtre est facile de déterminer à l'oeil nu. Parce que le treillis d'octet est une structure cellulaire ouverte, il est possible de voir à travers et vérifier si ou non le résidu de plâtre est complètement enlevé.
Note: La prudence est nécessaire pour la sableuse pour ne pas endommager le métal octet en treillis avec une épaisseur de paroi mince (0,5 mm) à la haute pression (550 kPa). - Si le résidu de plâtre d'investissement à l' intérieur du métal octet en treillis est pas complètement éliminé avec la sableuse, utiliser des méthodes de post-traitement supplémentaires, par exemple, un nettoyage à ultrasons ou en laissant le produit dans l' eau pendant une journée.
- En cas d'utilisation d'un nettoyeur à ultrasons, remplissez 0,7 L d'eau dans le nettoyeur à ultrasons et placez le métal octet en treillis avec des résidus de plâtre dans le nettoyeur à ultrasons.
- Allumez la puissance de l'appareil à ultrasons.
- Définir une condition de fonctionnement, par exemple, 3 heures à 70 ° C.
- Prenez le métal octet truss hors du nettoyeur à ultrasons une fois ee opération se termine.
- Sécher le métal de la poutrelle octet à la température ambiante jusqu'à ce que l'eau sur la surface du métal est complètement enlevé.
- En tant que méthode de post-traitement de remplacement, laisser le métal octet en treillis dans l'eau. Ceci amène le résidu de plâtre à dissoudre dans l'eau.
- Placez le métal octet en treillis avec le résidu de plâtre dans l'eau et le laisser pendant une journée afin que la force de liaison entre le plâtre d'investissement et la surface métallique devient affaiblir dans l'eau.
- Prenez le métal octet truss hors de l'eau.
- Sécher le métal de la poutrelle octet à la température ambiante jusqu'à ce que l'eau sur la surface du métal est complètement enlevé.
- À l' aide d' une scie ou d' autres outils appropriés, couper le métal rempli la cavité de la partie du système de canal de coulée de produit métallique et d' obtenir l'octet poutrelle finale métal ayant une taille de 25 mm x 25 mm x 25 mm, comme représenté sur la figure 1B.
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Representative Results
En utilisant la fabrication d'additif indirect décrit dans la section de protocole, Al et alliages de Cu ont été utilisés pour les métaux de fabrication octet de treillis, comme représenté sur la figure 1 le procédé de coulée entier est résumée à la figure 2 La procédure consiste en huit sections:.. (A) sacrificiel motif d'impression (b) de fusion du matériau de support (c) d'enlèvement de résidus de matériau de support (d) de l'ensemble de motifs (e) l'investissement (f) burn-out des motifs sacrificiels (g) coulée centrifuge, et (h) post En traitement. Le processus de mélange d'investissement a été réalisé afin de vous assurer qu'il n'y avait pas de grumeaux dans le mélange des investissements dans l'eau, comme le montre la figure 3. Le processus de burn-out a été effectuée pendant 6 heures pour faire fondre le motif sacrificielle comme le montre la figure 4, suivi par le procédé de coulée par centrifugation (figure 2G et la figure 5). Figure 6montre les produits finaux de métaux octet en treillis avec Al et alliages de Cu. Il montre que l'alliage Al fondu remplit entièrement la cavité réseau de moule entière sans misrun. D'autre part, l'alliage Cu fondu semble avoir un défaut de coulée avec solidification prématurée au stade précoce de l'injection de métal fondu à l'entrée.
Figure 1. Schéma d'Octet Truss Structure avec un système Sprue. La figure 1 représente une vue schématique d'un motif sacrificiel d' une structure en treillis octet avec un système de canal de coulée utilisé dans cette étude. Le système de canal de coulée est constituée d'une feuille d'une épaisseur de 1 mm, une largeur de 25 mm, et une colonne ayant 10 mm de hauteur et de 6 mm de diamètre. Le système de coulée peut être modifié en utilisant un logiciel de CAO, si nécessaire, pour la conception d'une meilleure fluidité du métal liquide. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 2. Vue d'ensemble du AM indirecte par centrifuge Procédure d'incantation: (A) l' impression du motif (B) à l' état fondu du matériau de support (C) d'enlèvement de résidus de matériau de support (D) l' assemblage de motif (E) l' investissement (F) brûler -hors de motif sacrificielle (G) la coulée centrifuge, et (H) post - traitement. Cette figure montre l' ensemble de la procédure de fabrication de métaux octet de fermes utilisant AM indirect avec la coulée centrifuge. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
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Figure 3. Horaire de travail sur la préparation du moule en plâtre. Figure 3 montre la préparation du moule en plâtre et la procédure à durcir dans le flacon. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 4. Burn-out annexe du modèle sacrificiel l' intérieur du moule en plâtre. La figure 4 montre le processus du motif sacrificiel à l' intérieur du mélange durci burn-out. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
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. Figure 5. Schéma d'une Machine de coulage centrifuge La machine de coulée centrifuge se compose de huit éléments: arbre principal, la base, la coulée bras, poids, berceaux du ballon, berceaux du ballon tenant les bras, porte - creuset, et creuset de maintien armes. Le bras de boîtier est équilibré avec le déplacement des poids le long du bras de coulée. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 6. Produit final de Octet Truss Métaux: structures en treillis Octet avec (A) Al et alliages (B) Cu. Il montre un assez bon degré d'achèvement de l'octet truss Al alliage. D'autre part, un mauvais degré d'achèvement est observé avec l'octet treillis Cu alliage.fichiers / ftp_upload / 53605 / 53605fig6large.jpg "target =" _ blank "> S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
| Propriété | Valeur [unité] |
| Densité à 20 ° C | 1019 [kg / m ^ 3] |
| La conductivité thermique à 20 ° C | 0,47 [W / (m * K)] |
| Coefficient de dilatation thermique à 20 ° C | 7.22E-6 [/ ° C] |
| Rugosité | 2.72E-6 [m] |
Tableau 1. Propriétés de la poudre d' investissement. Ce tableau montre les propriétés physiques de la poudre d'investissement utilisée dans cette étude.
| 40 ml d'eau pour 100 g de poudre | |||||||
| diamètre Flask | la taille | ||||||
| 5,08 cm | 6,35 cm | 7,62 cm | 8,89 cm | 10,16 cm | 12,7 cm | 15,24 cm | |
| 6,35 cm | 226,8 g 91 ml | 283,5 g 114 ml | 340.19 g 136 ml | 396,89 g 160 ml | 453,59 g 183 ml | 566,99 g 228 ml | |
| (Top figure - poudre d'investissement (g), figure en bas - Eau (ml)) | |||||||
| Nota: Dans cette étude, un flacon avec une hauteur de 6,35 cm et un diamètre de 6,35 cm est utilisé. | |||||||
Tableau 2. Mélange de poudre Conditions d' investissement avec l' eau pour une variableFlask Taille: Ce tableau montre les conditions de mélange de la poudre d'investissement et de l' eau pour une taille du flacon variant recommandé par le fabricant. Dans cette étude, un flacon avec une hauteur de 6,35 cm et un diamètre de 6,35 cm est utilisé.
| (A) la composition chimique de l'alliage d'Al | |||
| Matériel | Unité | ||
| Alliage d'aluminium | Composition chimique | ||
| Al | Cr | ||
| Min max. | > 99 | <0,05 | |
| (B) Les propriétés physiques de l'alliage d'Al | |||
| Propriété | Unité | ||
| température liquidus | 660 ° C | ||
| 660 ° C | |||
| Densité | 2340 [kg / m ^ 3] @ 850 ° C | ||
| Chaleur spécifique | 1090 J / kg ∙ ° C | ||
| Conductivité thermique | 0,9428 [W / (cm * ° C)] @ 850 ° C | ||
| Viscosité | 0.00087 @ 850 ° C [s Pa ∙] | ||
| coefficient de tension de surface | 900 [N / mm] | ||
. Tableau 3 Composition chimique Propriétés physiques et d'Al Alloy 30: (a) la composition chimique de l' alliage Al et (b) Les propriétés physiques de Al alliage.
| (A) la composition chimique de l'alliage Cu | |||||||||||||
| Matériel | Unité | ||||||||||||
| Alliage de cuivre (Bijoux bronze) | Composition chimique (% Max, sauf indication que la gamme de moyenne) | ||||||||||||
| Cu | Si | Zn | Mg | Pb | |||||||||
| Min max. | 91,9 | 4 | 4 | 0,25 Max | 0,25 Max | ||||||||
| (B) Les propriétés physiques de l'alliage Cu | |||||||||||||
| Propriété | Unité | ||||||||||||
| température liquidus | 1035 ° C | ||||||||||||
| température Solidus | 1005 ° C | ||||||||||||
| Densité | 7.200 [kg / m ^ 3] @ 1200 ° C | Chaleur spécifique | 380 J / kg ∙ ° C | ||||||||||
| Conductivité thermique | 1,44 [W / (cm * ℃)] @ 1200 ° C | ||||||||||||
| Viscosité | 0,0038 @ 1200 ° C [s Pa ∙] | ||||||||||||
| coefficient de tension de surface | 1500 [N / mm] | ||||||||||||
. Tableau 4 Composition chimique Propriétés physiques et de Cu alliage 30: (a) la composition chimique de l' alliage Cu et (b) les propriétés physiques de l' alliage Cu.
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Discussion
Pour la coulée de métal classique, il est important de garder l'écoulement du métal fondu lisse et rationalisé en «laminaire» dans la cavité du moule et plutôt éviter un écoulement irrégulier et agité généralement observé dans un écoulement turbulent 27. Par conséquent, il est important de concevoir correctement l'entrée du système de descente de coulée associé à la vitesse de rotation d'un bras centrifuge pour maintenir l'écoulement de métal fondu à l'intérieur de la cavité de moule treillis "laminaire".
Dans cette étude, les étapes critiques du protocole sont le mélange de poudre d'investissement avec de l'eau, le burn-out du modèle sacrificiel, et le processus de coulée centrifuge. Le procédé de mélange de poudre d'investissement avec de l'eau est important parce que la qualité du moule en plâtre est principalement contrôlée par ce processus, influençant ensuite le degré d'achèvement des produits finaux de métaux octet en treillis. Par exemple, si le mélange des investissements dans l'eau est trop grossière, la roughn de surfaceess devient élevée, entraînant une mauvaise finition de surface des produits finis. Le processus du motif sacrificiel burn-out est également essentiel de déterminer la qualité des produits finis, car les résidus du motif sacrificiel provoque un défaut de coulée tels que misrun ou en métal pénétration si le motif sacrificiel est pas complètement brûlé. La dernière étape clé est le processus de coulée centrifuge. Une configuration correcte pour la coulée est nécessaire pour remplir entièrement le métal liquide dans la cavité du moule d'investissement avec une structure octet en treillis en forme de réseau complexe.
Comme on peut le voir sur la figure 6, dans les mêmes conditions de traitement, par ex., La vitesse d'entrée, la température d'entrée de métal fondu, la température de préchauffage de moule, un alliage de Cu représente une solidification prématurée dans une cavité réseau de moule avec une épaisseur de paroi de 0,5 mm (figure 6 (b)). On pense être causée par la tension de surface élevée (1500 N / mm) et haute viscosité (0,00038 Pa · s) dealliage de Cu à travers le micro-canal dans la cavité réseau de moule. D'autre part, il apparaît qu'un coefficient relativement bas de la tension superficielle (900 N / mm) et la viscosité (0,00087 Pa.s) de l'alliage d'aluminium fondu lui permet de remplir complètement la cavité réseau de moule octet de treillis. Il est recommandé de trouver une vitesse d'entrée optimale du métal en fusion pour la coulée de structures en treillis du réseau 3D avec une épaisseur de paroi mince, afin de surmonter le changement brusque de direction d'écoulement du métal fondu et l'effet de la tension superficielle dans le micro-canal du treillis cavité de moule structurel.
L'effet de la tension superficielle du métal en fusion est connu pour être dominant à un canal mince où ce réseau géométrie cavité du moule dans cette étude peut être appliquée. Il peut être possible de fabriquer un treillis de Cu alliage ayant une épaisseur de paroi plus épaisse et une vitesse d'injection élevée de la coulée centrifuge comme démontré dans nos travaux antérieurs 28-29.
Direct méthodes AM Such SLM et EBM ont été envisagées pour des procédés de fabrication possibles pour les métaux légers en treillis 3D. Cependant, les méthodes AM directes semblent être limitées dans le choix des matériaux. Par exemple, la technologie de l' EBM courant est limité à Ti-6Al-4V et l' Inconel 31. En dépit de son utilisation intensive dans l'aérospatiale et les applications bio-implant, l'aluminium, par exemple, ne sont pas en cours de production en utilisant cette technologie. Théoriquement, il pourrait être possible d'étendre la AM directe à d'autres métaux en poudre grâce à un contrôle étroit des paramètres du processus. Cependant, en pratique, l'AM directe a été signalé à avoir des difficultés à fabriquer des pièces avec des poudres métalliques avec réflectance optique élevée et une conductivité thermique élevée, par exemple., Al. De plus, l' évaporation et possible explosion à l' intérieur de la chambre de construction ont été émis pour la poudre d'aluminium 31.
La technique proposée AM indirecte est important parce que cela permet de fabriquer des structures en treillis avec des métaux oùméthodes AM directs éprouvent des difficultés, ce qui entraîne dans l'autonomisation des capacités de production globale de métaux en treillis 3D avec AMs directs et indirects en élargissant la gamme de sélection des métaux. En outre, la coulée centrifuge, une étape dans cette étude, est connue pour fournir une propriété isotrope de pièces métalliques en raison de la propagation relativement égale de métal fondu dans la cavité du moule. Cela peut résoudre le problème actuel de AM directe sur anisotropie causée à la fois par la fabrication en couches et la formation anisotrope de grains 20-21.
L'exploration d'autres métaux pour AM indirecte ainsi que des études sur l'effet des paramètres du procédé sur des géométries de réseau sera laissée à nos travaux futurs.
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Acknowledgments
Cette étude a reçu le soutien de l'Initiation Grant recherche (RIG) du vice-président pour la recherche et le développement économique à l'Université de North Texas (UNT). Les auteurs remercient également KCI Co. Ltd pour soutenir partiellement cette étude. Le soutien de l'Institut de technologie PACCAR à UNT pour le succès de cette publication est grandement appréciée.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Motorized centrifugal casting machine | Rey Motorized Centrifugal Casting Machine, Rey Industries Inc. | Made in U.S.A. by Rey industries, Inc. Dallas, TX 75220 | |
| Gypsum powder | Satin Cast 20, FindingKing Kerr | 7960 | Gypsum powder is used to make the investment mixture |
| Ployjet 3D printer | Projet HD3500 Plus, 3D Systems | This polymer based 3D printer to print out sacrificial pattern for casting. | |
| Cartridge materials - UV curable and castable acrylic plastic | VisiJet Procast, 3D Systems | This is castable material that is going to be burn out before casting | |
| Cartridge materials- support material | VijiJet S300, 3D Systems | This is support material that is going to be removed before pattern assemble | |
| Ancient Bronze Casting Grain | Rio Grande | 706051 | This true bronze grain contains no zinc. Highly fluid, it melts quickly, casts cleanly and provides a good balance between strength and durability. The warm, deep-bronze color has rich red undertones, and the alloy takes a good patina. Composition is 90% copper with an amount of tin; fits into the CDA#90700 category. This grain is sold in 1 lb. packages. |
| Aluminum Round Wire, 1/8", 1-Lb. Spool, Dead Soft | Rio Grande | 134700 | Lightweight and strong, aluminum wire is an economical and versatile choice. Not as bright-white as silver, aluminum offers a warmer tone much like that of platinum. Solder ONLY with low-temp solders such as Stay-Brite; suitable for both pulse-arc and laser welding. This quality aluminum wire is packaged on 1 lb. spools. |
| Computer aided design software (Pro-e) | This software can be replaced with the others such as Auto CAD, Catia, and so on. | ||
| ProJet Finisher 1-A | 3D Systems | This machine is used to melt the support material. | |
| 160 Watt 2.5 Liters Digital Ultrasonic Cleaner with Timer Heater Rings Tools | Chicago, Electric, Power Tools | 85 oz. capacity, Five cleaning cycles: 90, 180, 280, 380 and 480 seconds, Clean with or without heat, Easy-to-read LED digital timer, Clear-view window | |
| Fan | Honeywell Inc. | HT-800 | 120 V A.C., 60 Hz., 0.85 A. TP |
| Paraffin wax for wax sheet - Modeler's Pink Wax Sheet, 3" by 6", 24-Ga. | Rio Grande | 700075 | Sheet wax is flexible and can be cut or formed into any shape. It’s ideal for designing since you can draw or trace directly onto the sheet; choose green or pink depending on which will best show your designs. High manufacturing standards ensure exceptional consistency and significant price savings. Value is enhanced by larger package quantities at the same price as the smaller packages available elsewhere. Each 8-oz. package contains approximately 30 sheets. |
| Paraffin wax for wax stick - Modeler's Medium Red Sprue Wax, 8-Ga | Rio Grande | 700741 | A pliable, softer sprue wax than the firm blue. Good for forming gates and sprues and burns out cleanly with no residue. |
| Alcohol Lamp | Rio Grande | 700008 | Use this lamp to heat wax-working tools or as a flame polisher. The heavy glass reservoir has faceted sides to allow it to be tipped for angling the flame. A screw adjustment for the 7" x 3/16" wick controls the height of the flame. A safety cap snuffs the flame and prevents fuel evaporation. For the best flame, use methyl alcohol fuel. Replacement wicks available. Reservoir holds 5 oz. (150 ml) of fuel. |
| Wax carving tool set - Soft Grip Wax Carvers, Set of 10 | Rio Grande | 700329 | This boxed set offers the best in cutting and shaping technology. Each of these ten high-quality steel wax-carving tools features a 5/16" PVC covered handle that ensures a sure, comfortable grip through hours of work and all have sharp edges for shaping and fine detailing. Sharpen or custom-shape each tool to fit your needs. These tools provide exceptional tool strength and deliver excellent results. This set comes in a hinged, foam-lined wood box. |
| Rubber Mixing Bowl, 1 - 1/2 Qt. | Rio Grande | 702131 | This highly-flexible vulcanized rubber bowl is easy to grip, will not be marred by a spatula and cleans with ease. |
| Pyrex Beaker, 1,000ml | Rio Grande | 335040 | Ideal for holding and heating bath plating solutions, this genuine Pyrex glass beaker is sturdy and durable. |
| Rio Premium Stainless Steel Flask, 2 - 1/2" dia. | Rio Grande | 70201514 | This solid, #304-quality stainless steel flask is corrosion-resistant, durable for a long service life and performs under extreme temperature without distortion. |
| CAST/T Ceramic Casting Crucible, 450 g | Rio Grande | 705047 | Made exclusively for the CAST/T centrifugal casting machine, this crucible is designed with an angled base that slides into the hinged bracket on top of the casting machine. This brings the crucible into perfect alignment with the center of the flask ring to ensure an error-free pour. |
| MyWeigh iBalance 300 Digital Scale | Rio Grande | 116850 | This scale is used to measure the weight of the sacrificial and sprue system for metal which is going to be used for centrifugal casting. |
| Rubber bottom - CAST/T Flask Ring Base | Rio Grande | 705025 | Specially made for the CAST/T centrifugal casting machine, this rubber base accommodates all Table King flask ring styles, creating a secure, airtight seal throughout the investment process. The center post fits either of the wax disc styles for complete versatility. |
| Scotch® Colored Duct Tape, 1 7/8" x 20 Yd., Blue | OfficeMax | 22353766 | This scotch tape is used to make sure that the gypsum-water mixture fully covers the assembled sacrificial pattern inside the flask by allowing for extra material above the flask height |
| Vacuum casting machine - V.I.C. 12 Tabletop Solid- and Perforated-Flask Casting Machine with The Rio Assistant, 110-Volt | Rio Grande | 70511814 | The V.I.C. 12 casting machine offers all the latest technical innovations for efficient, productive vacuum investing and casting. Designed to meet the demands of medium-sized casting operations, this machine includes a powerful 1/2 hp, 5cfm vacuum pump for effective vacuuming and outstanding casting results. The V.I.C. 12 casts small or large flasks. Includes an adapter table that accepts standard solid flasks up to 5" x 7" high and is mounted on rubber feet for stability. |
| Furnace for burn out sacrificial pattern -Rio Model 1000 Enameling Kiln with Nine Program Controller | Rio Grande | 703121 | The Rio enameling kiln features three pre-set firing temperatures for enamels and six that you can define. Use the exclusive Rio controller to set and maintain firing temperatures. Perfect for all types of enameling, including tall pieces. Includes ample space for firing and an easy-latch door that will not jar your enamels when opening and closing. Also suitable for metal clay, glass and ceramics. Galvanized steel case with high-temperature insulating firebrick keeps them cool. Element protected in recessed groove. Includes user instructions. |
| Smith Complete Little Torch Acetylene and Oxygen System | Rio Grande | 500030 | Get everything you need to equip your shop for soldering and brazing. Use Little Torch systems for gold or silver soldering, brazing and casting applications. Complete every soldering and melting job with confidence and ease! This system accepts all Little Torch accessory tips for melting, brazing and large soldering jobs and is a staple for every jeweler. |
| Heat-Resistant Safety Apron | Rio Grande | 750160 | The specially designed apron has an 800 °F (427 °C) temperature resistance. Its reflective finish repels hot metal splashes and helps insulate the wearer from heat. |
| Radnor Heat-Resistant Gloves | Rio Grande | 350050 | These flexible, heat-resistant gloves are ideal for enameling projects, allowing you to grip even small tongs securely. Blue, shoulder-split leather gloves are made of tough cowhide and lined with cotton and foam, and have reinforced thumb wings. |
| Platinum Soldering Glasses, #7 | Rio Grande | 113914 | Protect yourself and your employees when soldering platinum. Comfortable glasses feature adjustable earpieces and 52mm IR green polycarbonate #7 lenses. The #7 lens is approved by The Platinum Guild. |
| Economy Light-Duty Flask Tongs | Rio Grande | 704026 | Constructed of bent steel, these tongs are designed to handle flasks 3-1/2" or less in diameter. The small-angle notches grip smaller flask sizes and the larger, rounded contour area securely holds larger flasks. |
| Separating Screen Bucket | Rio Grande | 201360 | 15"-diameter, 11-1/2"-deep |
| Sand blaster - Econoline - 101701CB-A - Free-Standing Cabinets Workspace Width (Inch): 60 Workspace Depth (Inch): 48 | MSC industrial supply Co. | 223818 | Ree-Standing Cabinets; Workspace Width (Inch): 60; Workspace Depth (Inch): 48; Workspace Height (Inch): 40; Air Requirement: 12 CFM @ 80 psi; Overall Cabinet Width (Inch): 65; Maximum Cabinet Depth (Inch): 86 |
| Johnson's Baby Oil Shea & Cocoa Butter | Wal-Mart | 260074132 | This baby oil is used for removing the residue of the support material for the castable sacrificial pattern using Digital Ultrasonic Cleaner. |
| German 4" Saw Frame and Saw Blade Kit | Rio Grande | 110112 | Quality, German-made frames are our most popular saw frames, and this frame includes a sampler pack of Rio German saw blades! The adjustable saw frame allows you to achieve the blade tension you want. Throat depth is 102mm (4"). Saw blades have rounded backs that make cutting curves and corners easy and are made from hardened, tempered steel. |
References
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