Summary
Un metodo indiretto fabbricazione additivo combinando una stampa 3D di polimeri con una colata centrifuga è delineato per fabbricazione metalli reticolari 3D ottetto (Al e Cu leghe) di lunghezza cella unitaria di 5 mm con uno spessore di 0,5 mm.
Abstract
Uno dei metodi tipici per la fabbricazione di metalli reticolo 3D è il processo di fabbricazione di metallo diretta additivo (AM) come Selective Laser Melting (SLM) e fusione Electron Beam (EBM). Nonostante la sua capacità di elaborazione potenziale, il metodo AM diretta ha diversi svantaggi quali costo elevato, scarsa finitura superficiale dei prodotti finali, limitazione nella scelta dei materiali, elevati stress termici, e proprietà anisotrope di parti. Noi proponiamo un metodo conveniente per la produzione di metalli reticolo 3D. L'obiettivo di questo studio è fornire un protocollo dettagliato sulla fabbricazione di metalli reticolari 3D di forma complessa e spessore di parete sottile, ad esempio, capriata ottetto fatti di Al e Cu leghe aventi lunghezza cella unitaria di 5 mm e spessore della parete cellulare di 0,5 mm. Una procedura sperimentale complessiva è divisa in otto sezioni: (a) stampa 3D dei modelli sacrificali (b) scioglie su materiali di supporto (c) rimozione di residui di materiale di supporto (d) assembl reticoloy (e) gli investimenti (f), burn-out dei modelli sacrificali (g) colata centrifuga (h) post-trasformazione dei prodotti finali. La tecnica AM indiretta suggerito fornisce il potenziale per la produzione di metalli reticolo ultra-leggero,. Ad esempio, strutture a traliccio con leghe di Al. Risulta che i parametri di processo devono essere adeguatamente controllati seconda dei materiali e della geometria reticolare, osservando i prodotti finali di metalli ottetto travatura dalla tecnica AM indiretta.
Introduction
Metalli cellulari sono i metalli costituiti da una rete interconnessa di puntoni solidi o piastre e hanno complessi micro-architetture con vuoti 1. Gli esempi includono sia i) schiume stocastici strutturati in modo casuale e ii) periodicamente ordinato bidimensionali () favi 2D e tridimensionali (3D strutture reticolari) reticolari. Hanno ricevuto attenzione a causa della loro elevata rigidità specifica e resistenza 1-3 e alta resilienza specifica 4-5, eccellente assorbimento di energia all'impatto di caricamento 6, isolamento acustico 7, possibile progettazione di dissipatori di calore e scambiatori di calore 8. In particolare, strutture a traliccio periodicamente ordinate hanno il potenziale per ingegnerizzare le proprietà superiori con una capacità di controllare la geometria della rete porosa interna.
A causa della loro complessa geometria interna rete porosa, è difficile fabbricare metalli cellulari usando l'machinin sottrattiva convenzionaleg. Come tale, i ricercatori hanno iniziato a cercare metodi alternativi per fabbricare metalli cellulari: la formazione di gas nel metallo liquido o mescolando polvere di metallo con agenti espandenti sono stati esplorati per la produzione di forme di metallo stocastici 9. A causa della mancanza di controllo sulla topologia cellulare, è difficile adattare le proprietà meccaniche. In alternativa, i metodi di produzione di metalli cellulari periodicamente ordinate sono stati esplorati: stampaggio lamiere sottili di metallo in una forma ondulata seguita da unirsi a loro per creare strutture periodiche 10, incollaggio a taglio lamiere 11, estrusione 12, la tessitura e ardente filamenti metallici per fabbricare tessuti 13. Anche se questi metodi di fabbricazione offrono modelli ripetibili, i modelli sono ancora limitate nella direzione planare. Nel tentativo di generare modello ripetizione 3D, i ricercatori hanno iniziato a utilizzare la produzione additiva (AM), ad esempio, laser selettiva Melting (SLM) 14, Electron Beam Melting (EBM)
Combinando AM basato polimero con colata di metallo può fornire un metodo alternativo per la fabbricazione di metalli reticolari. Si può chiamare questa "AM indiretto". Indiretta AM può fornire una soluzione per superare i problemi tecnici di AM diretta dei metalli di cui sopra. Diversi tentativi sono stati made per la fabbricazione di metalli reticolo usando indiretta AM dell'incontro fra la stampa 3D di polimeri con colata a gravità basato 22-25, ad esempio, una fusione a cera persa in combinazione con Fused Deposition Modeling (FDM) per fabbricare una lega reticolo 22-25 o colata in sabbia combinata con una polvere di sabbia basato AM 23. Il casting a gravità sembra rimanere una sfida tecnica per superare - misrun e porosità causata da improvvisa solidificazione di metalli fusi quando si incontrano strutture di rete con spigoli vivi di stampi strutturali reticolari 25-26. Relativamente grande superficie di stampi strutturali reticolari appare anche contribuire al repentino raffreddamento, con conseguente solidificazione prematura 25-26.
In questo studio, proponiamo un AM indiretta alternativa che può superare la misrun durante la fabbricazione di metalli reticolo - colata centrifuga ad una cavità di stampo grata fatta da un reticolo reticolo polimerico sacrificale 3D stampata. Usiamo un digitaleLight Processing (DLP) metodo di stampa 3D basato per costruire un modello sacrificale strutturale reticolare seguito da colata centrifuga di Al e Cu leghe. L'obiettivo di questo studio è fornire un protocollo dettagliato sulla fabbricazione di metalli reticolari 3D di forma complessa e spessore di parete sottile. Il contributo principale di questo processo è quello di fornire la possibilità di estendere la selezione dei materiali basso costo di fabbricazione per la produzione di metalli reticolari.
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Protocol
1. Progettazione di Experiment
- Disegnare un modello sacrificale (a struttura reticolare ottetto con un sistema di canale di colata) utilizzando il software progettazione assistita da computer (CAD) come mostrato in Figura 1 e salvare il modello CAD come formato STL.
Nota: Il modello sacrificale è un modello integrato della struttura reticolare ottetto con un sistema materozza che verrà poi fusa per colata. Poiché il modello sacrificale comprende sia la struttura reticolare ottetto e il sistema materozza, non esattamente rappresenta l'ottetto traliccio stesso. Viene fornito un file STL del modello sacrificale. Registrare il volume del modello sacrificale fornito dal software CAD, che sarà utilizzato per calcolare la massa metalli '. - Aprire il disegno CAD del modello sacrificale sul software di stampa 3D collegato a una stampante 3D per la stampa del modello.
- Assicurarsi che la stampante 3D ha abbastanza UV curabile / castable plastica acrilica e un materiale di supporto costituito da una ceranelle cartucce per stampanti.
2. Realizzazione di modello sacrificale
- Fabbricazione il modello sacrificale costituito dalla struttura reticolare ottetto e il sistema di canale di colata utilizzando una stampante 3D (Figura 2A - C).
Nota: I processi in 2.1.3 - 2.1.7 non sono necessarie se si utilizza una stampante 3D che non genera materiali di supporto.- Invia un file STL del modello sacrificale alla stampante 3D per stampare un motivo sacrificale (Figura 2A).
- Sciogliere un materiale di supporto del pattern sacrificale in un forno a sopra la temperatura di fusione del materiale di supporto (60 - 70 ° C) per 2 ore (Figura 2B).
Nota: La temperatura di rimuovere il materiale di supporto non deve essere troppo elevata. Altrimenti, può causare danni al modello sacrificale. Il modello sacrificale inizia sempre danneggiato a circa 80 ° C in questo studio.
Nota: La temperatura di fusione del suppormateriali t varia con le stampanti 3D in cui possono essere utilizzati diversi materiali di supporto. - Compilare un pulitore ad ultrasuoni digitale con olio per bambini fino a 2,5 L, il volume massimo che il più pulito può contenere (Figura 2C).
Nota: E 'stato raccomandato dal fornitore della stampante 3D da utilizzare l'olio di bambino per sciogliere i residui del materiale di supporto simile alla cera. - Mettere il modello sacrificale nella pulitore ad ultrasuoni digitale e accendere l'alimentazione del detergente (Figura 2C). Assicurarsi che il modello sacrificale è completamente immerso nell'olio.
- Rimuovere il residuo del materiale di supporto immergendo il modello sacrificale nell'olio a 65 C per 40 min (Figura 2C).
- Estrarre il modello sacrificale dal pulitore se il materiale di supporto viene completamente rimosso.
- Avere il sacrificale modello asciugare con un ventilatore a temperatura ambiente (~ 20 C) (Figura 2C).
Nota: Ci vogliono circa 2 orefinché l'olio sulla superficie del modello sacrificale è completamente essiccata. Si consideri il modello sacrificale per essere completamente secchi se la superficie non è appiccicoso.
3. Realizzazione di Mold
- gruppo di modello
- Fissare una guarnizione in gomma al modello sacrificale (il traliccio ottetto con il sistema materozza) e disporli sul fondo di un pallone a cilindro con una altezza di 6,35 cm e un diametro di 6,35 cm (Figura 2D).
Nota: Preparare due palloni per la fusione di ogni metallo; Al e Cu leghe. - Doppio controllo la guarnizione di gomma con il modello sacrificale è completamente collegato al fondo del pallone.
- Avvolgere il pallone con un nastro adesivo in modo che la miscela di investimento in polvere-acqua, la cui procedura sarà descritta nella sezione successiva, non può fuoriuscire dal pallone.
- Fissare una guarnizione in gomma al modello sacrificale (il traliccio ottetto con il sistema materozza) e disporli sul fondo di un pallone a cilindro con una altezza di 6,35 cm e un diametro di 6,35 cm (Figura 2D).
- Preparazione di stampo Investment
- Preparare polvere refrattaria (CaSO 4 3) di 89 g, che è 87.16 ml. Usare una scala per pesare la polvere d'investimento.
Nota: Le proprietà fisiche della polvere refrattaria sono riportati in Tabella 1. - Versare la polvere di investimento in una ciotola (1 L).
- Versare l'acqua (114 ml) nella ciotola di miscelazione. Utilizzare un contenitore per misurare il volume di acqua.
- Mescolare la polvere refrattaria con acqua nella tazza per 3 min. Mescolare bene fino a quando non ci sono grumi nella miscela degli investimenti in polvere in acqua. In caso contrario, potrebbe causare una scarsa qualità della superficie di muffe investimento. Seguire la flusso di lavoro, come mostrato in figura 3.
- Al fine di rimuovere le bolle d'aria nella miscela, posizionare la ciotola in una camera a vuoto per 90 secondi fino a quando le bolle d'aria non può essere visto nella miscela con gli occhi nudi (Figura 3).
- Versare il composto in un pallone incorporare il modello sacrificale e la guarnizione in gomma (Figura 2E).
- Posizionare i flask nella camera a vuoto ancora per 90 secondi per rimuovere il residuo di bolle d'aria all'interno della miscela (Figura 3).
- Essiccare la miscela all'interno del pallone fino viene indurito a RT (Figura 3).
Nota: Solitamente, richiede circa 10 - 15 min per la miscela di essere indurito a temperatura ambiente. - Rimuovere la beuta e la guarnizione di gomma nella parte inferiore della miscela nel pallone una volta che la miscela è indurito (Figura 3). Questo prodotto può essere chiamato uno stampo in gesso.
- Preparare polvere refrattaria (CaSO 4 3) di 89 g, che è 87.16 ml. Usare una scala per pesare la polvere d'investimento.
- Esaurito
- Impostare un tempo burn-in forno seguendo il riscaldamento e raffreddamento calendario (Figura 4) riscaldamento da 23 a 150 ° C in 2,1 C / min; 150-370 C a 3,7 C / min; 370-480 C a 1,85 C / min; 480-730 C a 4.17 C / min; 730 C per 1 ora; raffreddamento 730-480 C a -4,17 C / min.
Nota: Il tempo per burn-out vari con dimensioni di un pallone. In questo studio, impostare il tempo di burn-out di 6 ore. - Collocare lo stampo in gesso in un forno (Figura 2F).
- Accendere il forno e aumentare la temperatura nel forno per rimuovere il modello sacrificale all'interno dello stampo in gesso. Seguire la condizione di temperatura in figura 4.
Nota: Poiché la plastica acrilica induribile / calcinabile UV, i materiali del modello sacrificale, è una plastica termoindurente acrilico-polimero, non scorre, ma è dissociato ad una fase gassosa nel forno.
- Impostare un tempo burn-in forno seguendo il riscaldamento e raffreddamento calendario (Figura 4) riscaldamento da 23 a 150 ° C in 2,1 C / min; 150-370 C a 3,7 C / min; 370-480 C a 1,85 C / min; 480-730 C a 4.17 C / min; 730 C per 1 ora; raffreddamento 730-480 C a -4,17 C / min.
- Fusione centrifuga (Figura 2G)
- Verificare che il braccio della macchina di colata centrifuga ruota con una velocità angolare di 425 rpm con un contagiri dopo l'accensione di una macchina di colata centrifuga.
- Preparare due crogioli in ceramica che può contenere un 150 g in lega a sciogliersi. Utilizzare crogioli separati per Al e Cu leghe per impedire loro di essere contaminati da each altro.
- Accendere l'alimentazione della macchina di colata centrifuga.
- Utilizzando un cutter in metallo, tritare le leghe in pezzi con 10 - 20 mm di lunghezza. Preparateli sufficiente per riempire completamente la cavità dello stampo cui volume dovrebbe essere lo stesso come il modello sacrificale.
Nota: La massa di metalli necessari per compilare lo stesso volume della cavità di stampo varia considerando densità variabile per ogni metallo. - Indossare i panni ritardanti di fiamma e guanti e occhiali. Preparare un secchio d'acqua (30 L) a temperatura ambiente.
- Prendere lo stampo in gesso temporaneamente fuori dal forno al punto 3.3, installarlo nella culla pallone e bilanciare il braccio della macchina di colata centrifuga (Figura 5).
- Mettere lo stampo in gesso di nuovo al forno e pre-calore fino a 482 ° C prima del getto.
- Collocare il crogiolo nel supporto crogiolo (Figura 5).
- Mettere la lega tritato nel crogiolo.
- Aprire la valvola di ossigenoserbatoio collegato con un cannello ossigeno-acetilene e mantenere un livello di pressione nel serbatoio di 96,5 kPa (14 psi).
- Accendere il cannello ossigeno-acetilene con un accendino e controllare l'intensità della fiamma regolando la miscela di gas.
Nota: Si deve fare attenzione quando si utilizza la torcia di ossigeno-acetilene. La temperatura massima della torcia è di circa 1200 ° C. - Melt lega tritato (lega di Al o lega Cu) con la torcia nel crogiolo fino la lega diventa completamente liquido.
- Mescolare la lega nel crogiolo con una canna in carbonio fino a quando la lega tritato è completamente sciolto.
- Collocare lo stampo in gesso in culla fiaschetta accanto al crogiolo contenente lega fusa (Figura 5).
- Chiudere il coperchio della macchina di colata centrifuga, lasciare che la rotazione del braccio centrifugo ed attendere almeno per 3 min.
Nota: la macchina di colata centrifuga entra in funzione non appena il coperchio della macchina di colata è chiuso. Il braccio centrifugaruota ad una velocità di 425 rpm che corrisponde alla velocità di ingresso nella cavità dello stampo del modello sacrificale, v r = 8.03 m / sec 28, 29 in figura 5 in cui l'ingresso-velocità viene calcolata utilizzando le dinamiche delle particelle macroscopiche da un angolare velocità della colata centrifuga braccio 28, 29. - Spegnere della macchina di colata centrifuga dopo 3 min rotazione del braccio.
- Aprire il coperchio della macchina di colata.
- Prendere lo stampo in gesso dalla culla pallone usando pinze.
- Mantenere lo stampo a temperatura ambiente per 15 - 20 minuti finché il colore della lega fusa si rivolge a quello originale nella fase solida.
- Utilizzando pinze, placare lo stampo in gesso in acqua collocato in un secchio (30 L) a temperatura ambiente per circa 5 minuti. Assicurarsi che la temperatura dello stampo in gesso è vicino a RT dopo tempra.
- Per ottenere il reticolo di metallo all'interno dello stampo, sciogliere ilstampo in acqua. Lo stampo di gesso si scioglie facilmente in acqua.
4. Post-elaborazione per Final Prodotti di Octet Truss Metalli
- Accendere la potenza di una sabbiatrice.
- Posizionare i metalli ottetto travatura sulla piattaforma all'interno del sandblaster e chiudere lo sportello della macchina.
- Indossare guanti e afferrare la pistola sabbiatrice.
- Afferra la parte sprue del prodotto metallo e spegnere l'intonaco residua dal reticolo di metallo con la sabbiatrice per 2 ore.
Nota: L'intensità della sabbiatrice viene automaticamente fissata approssimativamente a 550 kPa. Una volta che la sabbiatrice viene azionato, poi l'aria esce automaticamente dalla pistola. - Mantenere la sabbiatrice in esecuzione fino a quando il residuo di gesso di investimento all'interno del metallo ottetto capriata viene completamente rimosso durante il controllo ad occhio nudo.
Nota: Non c'è un criterio microscopica sulla rimozione dei residui di gesso. Questo va oltre lo scopo di questo studio. Tegli rimozione del residuo intonaco è facilmente determinata ad occhio nudo. Poiché il traliccio ottetto è una struttura a celle aperte, è possibile vedere attraverso e controllare se o meno il residuo gesso viene completamente rimosso.
Nota: Si deve fare attenzione per la sabbiatrice a non danneggiare il metallo ottetto traliccio con uno spessore di parete sottile (0,5 mm) ad alta pressione (550 kPa). - Se il residuo intonaco investimento all'interno del metallo ottetto traliccio non è completamente rimosso con la sabbiatrice, utilizzare metodi di post-elaborazione aggiuntive, ad esempio, una pulizia a ultrasuoni o di lasciare il prodotto in acqua per un giorno.
- Nel caso di utilizzo di un pulitore ad ultrasuoni, riempire 0,7 L di acqua nella lavatrice ad ultrasuoni e posizionare il metallo ottetto capriata con residui di intonaco nel pulitore ad ultrasuoni.
- Accendere il potere del pulitore ad ultrasuoni.
- Impostare una condizione di funzionamento, ad esempio, 3 ore a 70 ° C.
- Prendere il metallo ottetto capriata fuori del pulitore ad ultrasuoni una volta esimooperazione e finisce.
- Essiccare il metallo ottetto traliccio a RT finché l'acqua sulla superficie metallica è completamente rimosso.
- Come un metodo di post-elaborazione alternativa, lasciare il metallo ottetto capriata in acqua. Ciò causa il residuo intonaco da sciogliere in acqua.
- Posizionare il metallo ottetto traliccio con il residuo di gesso in acqua e lasciare per un giorno in modo che la forza di legame tra intonaco investimento e la superficie metallica diventa indebolire in acqua.
- Prendere il metallo ottetto capriata fuori dall'acqua.
- Essiccare il metallo ottetto traliccio a RT finché l'acqua sulla superficie metallica è completamente rimosso.
- Utilizzando una sega o altri strumenti adatti, tagliare il metallo riempito la cavità della parte di sistema materozza dal prodotto metallico ed ottenere la finale metallo ottetto traliccio con dimensioni 25 mm x 25 mm x 25 mm, come mostrato nella Figura 1B.
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Representative Results
Utilizzando la fabbricazione additiva indiretta descritta nella sezione del protocollo, Al e Cu leghe sono stati usati per metalli fabbricazione ottetto reticolari, come mostrato in Figura 1 La tecnica di fusione intera è riassunto in Figura 2 La procedura consiste di otto sezioni:.. (A) sacrificale modello di stampa (b) di fusione di materiale di supporto (c) rimozione di residui di materiale di supporto (d) gruppo di modello (e) investimenti (f) burn-out dei modelli sacrificali (g) colata centrifuga, e (h) post- trasformazione. Il processo di investimento miscelazione è stata effettuata in modo da assicurarsi che c'erano grumi nella miscela investimenti in acqua, come mostrato in figura 3. Il processo di burn-out è stata condotta per 6 ore per sciogliere il modello sacrificale, come mostrato in figura 4, seguita dal processo di colata centrifuga (Figura 2G e Figura 5). Figura 6mostra i prodotti finali di metalli ottetto capriate con Al e Cu leghe. Essa mostra che la lega fusa di Al riempie completamente l'intera cavità dello stampo reticolo senza misrun. D'altra parte, il fuso della lega Cu sembra avere un difetto casting con solidificazione prematura nella fase iniziale di iniezione del metallo fuso in ingresso.
Figura 1. Uno schema di Octet Truss struttura con un sistema di colata. La figura 1 mostra uno schema di un modello sacrificale della struttura ottetto traliccio con un sistema materozza utilizzato in questo studio. Il sistema materozza consiste di un foglio di spessore di 1 mm, una larghezza di 25 mm, e una colonna avente 10 mm di altezza e 6 mm di diametro. Il sistema materozza può essere modificato utilizzando software CAD, se necessario, per la progettazione di una migliore fluidità del metallo liquido. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 2. Una panoramica della AM indiretta con centrifuga processo di fusione: (A) la stampa del modello (B) fondere-out di materiale di supporto (C) la rimozione di residui di materiale di supporto (D) gruppo di modello (E) gli investimenti (F) bruciare -out di modello sacrificale (G) colata centrifuga, e (H) post-elaborazione. Questa figura mostra l'intera procedura sulla fabbricazione di metalli ottetto capriate con AM indiretto con colata centrifuga. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
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Figura 3. Il lavoro di programma inserita Preparazione del calco in gesso. La figura 3 mostra la preparazione del calco in gesso e la procedura per indurire nel pallone. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 4. Burn-out calendario del modello sacrificale all'interno dello stampo in gesso. La figura 4 mostra il processo di burn-out del modello sacrificale all'interno dell'impasto indurito. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
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. Figura 5. Uno schema di una macchina di colata centrifuga La macchina di colata centrifuga è costituito da otto componenti: albero principale, di base, braccio di fusione, pesi, culle fiasco, fiasco culle in possesso di armi, titolare crogiolo, e armi crogioli tenuta. Il braccio involucro è in equilibrio con lo spostamento pesi lungo il braccio di fusione. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 6. prodotto finale di Octet Truss metalli: strutture reticolari Octet con (A) Al e leghe (B) Cu. Essa mostra un discreto grado di completamento sulla ottetto traliccio lega di Al. D'altra parte, un povero grado di completamento è osservata con l'ottetto traliccio Cu lega.file / ftp_upload / 53605 / 53605fig6large.jpg "target =" _ blank "> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
| Proprietà | Valore [unità] |
| Densità a 20 ° C | 1.019 [kg / m ^ 3] |
| Conducibilità termica a 20 ° C | 0.47 [W / (m * K)] |
| Coefficiente di dilatazione termica a 20 ° C | 7.22E-6 [/ ° C] |
| Rugosità | 2.72E-6 [m] |
Tabella 1. Proprietà della polvere refrattaria. Questa tabella mostra le proprietà fisiche della polvere refrattaria utilizzato in questo studio.
| 40 ml di acqua per 100 g di polvere | |||||||
| diametro Flask | Altezza | ||||||
| 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 figura - in polvere per gli investimenti (g), figura in basso - Acqua (ml)) | |||||||
| Nota: In questo studio, è usato un pallone con una altezza di 6,35 cm e un diametro di 6,35 cm. | |||||||
Tabella 2. Mescolando Condizioni di polvere refrattaria con acqua per un diversoFlask Dimensione: Questa tabella mostra le condizioni di miscelazione della polvere di investimento e l'acqua per una dimensione che varia pallone raccomandata dal fabbricante. In questo studio, è usato un pallone con una altezza di 6,35 cm e un diametro di 6,35 cm.
| (A) la composizione chimica della lega di Al | |||
| Materiale | Unità | ||
| Lega di alluminio | Composizione chimica | ||
| Al | Cr | ||
| Minimo Massimo. | > 99 | <0,05 | |
| (B) Proprietà fisiche di lega di Al | |||
| Proprietà | Unità | ||
| temperatura di liquidus | 660 ° C | ||
| 660 ° C | |||
| Densità | 2.340 [kg / m ^ 3] @ 850 ° C | ||
| Calore specifico | 1.090 J / kg ∙ ° C | ||
| Conduttività termica | 0,9428 [W / (cm * ° C)] @ 850 ° C | ||
| Viscosità | 0,00,087 mila [Pa ∙ s] @ 850 ° C | ||
| coefficiente di tensione superficiale | 900 [N / mm] | ||
. Tabella 3 Composizione proprietà chimiche e fisiche di Al lega 30: (a) la composizione chimica della lega di Al e (b) le proprietà fisiche della lega di Al.
| (A) la composizione chimica della lega di Cu | |||||||||||||
| Materiale | Unità | ||||||||||||
| lega di rame (bronzo gioielli) | Composizione chimica (% Max, a meno che indicato come gamma di media) | ||||||||||||
| Cu | Si | Zn | mg | Pb | |||||||||
| Minimo Massimo. | 91,9 | 4 | 4 | 0,25 Max | 0,25 Max | ||||||||
| (B) Proprietà fisiche di lega di Cu | |||||||||||||
| Proprietà | Unità | ||||||||||||
| temperatura di liquidus | 1.035 ° C | ||||||||||||
| temperatura di Solidus | 1.005 ° C | ||||||||||||
| Densità | 7.200 [kg / m ^ 3] @ 1200 ° C | Calore specifico | 380 J / kg ∙ ° C | ||||||||||
| Conduttività termica | 1,44 [W / (cm * ℃)] @ 1200 ° C | ||||||||||||
| Viscosità | 0.0038 [Pa ∙ s] @ 1200 ° C | ||||||||||||
| coefficiente di tensione superficiale | 1500 [N / mm] | ||||||||||||
. Tabella 4 Composizione proprietà chimiche e fisiche di Cu lega 30: (a) la composizione chimica della lega di rame e (b) le proprietà fisiche della lega di Cu.
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Discussion
Per colata di metallo convenzionale, è importante mantenere il flusso del metallo fuso FLUIDITÀ in 'laminare' nella cavità dello stampo e piuttosto evitare un flusso irregolare e agitata generalmente osservata in flusso turbolento 27. Pertanto, è importante progettare correttamente l'ingresso del sistema materozza associato alla velocità di rotazione di un braccio di centrifugazione per mantenere il flusso di metallo fuso all'interno della cavità dello stampo lattice 'laminare'.
In questo studio, le fasi critiche del protocollo sono la miscelazione di polvere refrattaria con acqua, il burn-out del modello sacrificale, e il processo di colata centrifuga. Il processo di miscelazione della polvere refrattaria con acqua è importante perché la qualità del calco in gesso viene controllata principalmente da questo processo, successivamente influenzare il grado di completamento dei prodotti finali di metalli ottetto reticolari. Per esempio, se la miscela di investimento-acqua è troppo grossolana, la superficie di roughness diventa alto, con conseguente scarsa finitura superficiale dei prodotti finali. Il processo di burn-out del modello sacrificale è anche essenziale per determinare la qualità dei prodotti finali a causa dei residui del modello sacrificale provoca un difetto di colata come penetrazione misrun o metallo se il modello sacrificale non è completamente bruciata. L'ultimo passo chiave è il processo di colata centrifuga. La corretta impostazione per la colata è necessario per riempire completamente metallo liquido nella cavità dello stampo di investimento con un complesso a forma di rete struttura ottetto capriata.
Come si vede in figura 6, alle stesse condizioni di lavorazione, ad es., La velocità di ingresso, la temperatura di ingresso del metallo fuso, la temperatura di preriscaldamento di muffa, lega di Cu mostra una solidificazione prematura in una cavità di stampo lattice con uno spessore di parete di 0,5 mm (figura 6 (b)). Questo è pensato essere causato dalla elevata tensione superficiale (1.500 N / mm) e alta viscosità (0,00038 Pa · s) diCu attraverso il micro-channel nella cavità dello stampo reticolo. D'altra parte, sembra che un coefficiente relativamente basso di tensione superficiale (900 N / mm) e viscosità (0,00,087 mila Pa · s) della lega fusa di Al permette di riempire completamente la cavità di stampo lattice ottetto capriata. Si consiglia di trovare una velocità di ingresso ottimale di metallo fuso per la colata di strutture reticolari rete 3D con spessore di parete sottile per superare l'improvviso cambiamento nella direzione del flusso di metallo fuso e l'effetto della tensione superficiale nel micro-canale del reticolo cavità dello stampo strutturale.
L'effetto della tensione superficiale del metallo fuso si caratterizza per essere dominante a un canale sottile cui può essere applicata la grata geometria cavità dello stampo in questo studio. Può essere possibile fabbricare un reticolo Cu lega con uno spessore di parete più spessa e più alta velocità di iniezione di colata centrifuga come dimostrato nel nostro lavoro precedente 28-29.
Diretto metodi AM such come SLM e EBM sono state considerate per possibili metodi di fabbricazione di metalli leggeri reticolo 3D. Tuttavia, i metodi AM diretti sembrano essere limitati nella scelta dei materiali. Ad esempio, la tecnologia EBM viene limitata a Ti-6Al-4V e Inconel 31. Nonostante il suo ampio uso nel settore aerospaziale e applicazioni bio-impianto, in alluminio, ad esempio, non è prodotta con questa tecnologia. Teoricamente, potrebbe essere possibile estendere l'AM diretta ad altri metalli in polvere attraverso stretto controllo dei parametri di processo. Tuttavia, in pratica, l'AM diretto è stato segnalato per avere difficoltà nel fabbricare parti con polveri metalliche ad elevata riflettanza ottica ed alta conducibilità termica, ad es., Al. Inoltre, l'evaporazione e l'eventuale esplosione all'interno della camera di costruzione sono stati emessi per la polvere di alluminio 31.
La tecnica AM indiretta proposto è significativo perché permette di produrre strutture a traliccio con metalli dovemetodi AM diretti dei problemi, con conseguente potenziamento capacità produttiva complessiva di metalli reticolo 3D con AMS sia diretti che indiretti, ampliando la gamma di selezione dei metalli. Inoltre, colata centrifuga, un passo in questo studio, è noto prevedere una proprietà isotropa di parti metalliche a causa relativamente uguale diffusione del metallo fuso nella cavità dello stampo. Questo potrebbe risolvere il problema attuale della AM diretto sulla anisotropia causata sia da produzione di strati e la formazione di grani anisotropico 20-21.
Esplorare altri metalli per AM indiretta con studi sugli effetti dei parametri di processo sulle geometrie reticolari sarà lasciato per il nostro lavoro futuro.
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Acknowledgments
Questo studio ha ricevuto il sostegno della ricerca Initiation Grant (RIG) del Vice Presidente per la Ricerca e lo Sviluppo Economico presso l'Università del North Texas (UNT). Gli autori ringraziano anche KCIS Co. Ltd per sostenere in parte questo studio. Il sostegno da PACCAR Technology Institute at UNT per il successo di questa pubblicazione è molto apprezzato.
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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