Indirekt Tillverkning av Lattice metaller med tunna sektioner Använda centrifugalgjutning

Summary

En indirekt additiv tillverkningsmetod som kombinerar en 3D tryckning av polymerer med en centrifugalgjutning skisseras för tillverkande 3D oktettfackverks metaller (Al och Cu-legeringar) som har en enhetscelllängd av 5 mm med en väggtjocklek av 0,5 mm.

Abstract

En av de typiska metoder för att tillverka 3D gitter metaller är direkt metall additiv tillverkning (AM) process såsom Selective Laser Melting (SLM) och elektronstrålesmältning (EBM). Trots dess potentiella bearbetningskapacitet, har den direkta AM metod flera nackdelar såsom höga kostnader, dålig ytfinish slutprodukter, begränsning i materialval, hög termisk stress och anisotropiska egenskaper delar. Vi föreslår en kostnadseffektiv metod att tillverka 3D-gitter metaller. Syftet med denna studie är att ge ett detaljerat protokoll för tillverkning av 3D-gitter metaller med en komplex form och en tunn väggtjocklek, t.ex. oktett fackverk tillverkade av Al- och Cu-legeringar som har en enhetscelllängd 5 mm och en cellväggtjocklek på 0,5 mm. En övergripande experimentella förfarande är indelad i åtta avsnitt: (a) 3D-utskrifter av offer mönster (b) smält av stödmaterial (c) avlägsnande av rester av stödmaterial (d) mönster assembly (e) investeringar (f) utbrändhet av offermönster (g) centrifugalgjutning (h) efterbehandling för slutprodukter. Den föreslagna indirekta AM teknik ger möjlighet att tillverka extremt lätta gitter metaller;. T.ex. fackverkskonstruktioner med Al-legeringar. Det verkar som om processparametrarna bör kontrolleras ordentligt beroende på material och gitter geometri, observera slutprodukterna från oktett fackverks metaller genom den indirekta AM tekniken.

Introduction

Cellulära metaller är metallerna består av ett sammanhängande nätverk av fasta stöttor eller plattor och har komplexa mikroarkitekturer med hålrum ^1. Exempel innefattar både i) slumpmässigt strukturerade stokastiska skum och ii) periodiskt ordnade tvådimensionella (2D) bikakor och tredimensionella (3D) gitter fackverksstrukturer. De har fått uppmärksamhet på grund av deras höga specifika styvhet och hållfasthet ^1-3 och hög specifik motståndskraft ^4-5, utmärkt energiabsorption för stötbelastning ^6, akustisk isolering ^7, möjlig utformning av värme dissipaters och värmeväxlare ^8. Speciellt regelbundet ordnade gitterstrukturer har potential att konstruera de egenskaper som är överlägsna med en förmåga att reglera den inre poröst nätverk geometri.

På grund av deras komplicerade interna poröst nätverk geometri, är det svårt att tillverka cellulära metaller med användning av den konventionella subtraktiv machining. Som sådan, forskare har börjat leta efter alternativa metoder för att fabricera cellulära metaller: bildande gas i flytande metall eller blandning av metallpulver med jäsmedel undersöktes för tillverkning av stokastiska metallformer ^9. På grund av bristande kontroll över cell topologi, är det svårt att skräddarsy mekaniska egenskaper. Alternativt har tillverkningsmetoder för period beställda cellulära metaller utforskas: stämpling tunna blad av metall i en korrugerad form, följt av att gå dem för att skapa periodiska strukturer ^10, slitsade bindningsmetallplåtar ^11, extrudering ^12, vävning och glödande metalltrådar för att tillverka textilier ^13. Även om dessa tillverknings metoder ger upprepningsbara mönster är mönstren fortfarande begränsad i den plana riktningen. I ett försök att skapa 3D mönster upprepning, forskare börjat använda additiv tillverkning (AM), t.ex. Selective Laser Melting (SLM) ^14, Electron Beam Melting (EBM) 16. Trots att de har förmåga att tillverka 3D beordrade komplexa gittergeometrier, finns det fortfarande vissa begränsningar: svårt att använda metaller med hög värmeledningsförmåga och hög optisk reflektivitet ^17, hög termisk restspänning ^18, dålig ytfinish med "balling" -fenomen under laser eller elektron smältning ¹⁹ anisotropa egenskaper ^20-21 av delar till följd av en kombinerad effekt av den skiktade tillverkning, anisotropisk bildandet av korn, pulver storlek, makt och skanningshastighet av laser eller elektronstråle ^15, hög energiförbrukning, osv.

Kombinera polymerbaserad AM med metallgjutning kan ge en alternativ metod för att tillverka gitter metaller. Man kan kalla detta "indirekt AM". Indirekt AM kan vara en lösning för att övervinna de tekniska problemen med direkt AM av metaller som nämns ovan. Flera insatser har varit made att tillverka gitter metaller med hjälp av indirekt AM kombinera 3D-utskrifter av polymerer med allvar baserade gjutning ^22-25, t ex, en investering gjutning i kombination med smält nedfall modellering (FDM) för att tillverka ett galler legering ^22-25 eller sandgjutning i kombination med en sand pulver baserade AM ^23. Allvaret baserad gjutning tycks förbli en teknisk utmaning att övervinna - misrun och porositet orsakad av plötslig solidifiering av smälta metaller när de möter nätstrukturer med skarpa hörn av gitterstruktur formar ^25-26. Relativt stor ytarea av gitterstrukturformar verkar också för att bidra till plötslig kylning, vilket resulterar i för tidig stelning ^25-26.

I denna studie, föreslår vi ett alternativ indirekt AM som kan övervinna misrun under tillverkning av fackverks metall - centrifugalgjutning till ett galler formkavitet gjord av en 3D tryckt gallerofferpolymermönster. Vi använder en digitalLight Processing (DLP) baserad 3D-utskrifter metod för att bygga en galler strukturell offer mönster följt av centrifugal gjutning av Al- och Cu-legeringar. Syftet med denna studie är att ge ett detaljerat protokoll för tillverkning av 3D-gitter metaller med en komplex form och en tunn väggtjocklek. Det viktigaste bidraget i denna process är att ge en möjlighet att utöka urvalet av material med låg tillverkningskostnad för tillverkning av gitter metaller.

Protocol

1. Planering av experiment

1. Rita en offermönster (en oktett fackverksstruktur med ett inloppssystem) med användning av datorstödd konstruktion (CAD) program som visas i figur 1 och spara CAD-modellen som en STL-filformat.
   Anmärkning: Offer mönstret är ett integrerat mönster av oktettfackverksstruktur med ett inloppssystem som kommer att så småningom smältas för gjutning. Eftersom offer mönstret innefattar både oktetten fackverksstrukturen och inloppssystemet, inte exakt representerar det oktetten fackverket själv. En STL-fil av offer mönstret tillhandahålls. Anteckna volymen av offer mönstret från CAD-program, som kommer att användas för att beräkna metaller "massa.
2. Öppna CAD-ritning av offer mönster på 3D-utskrifter programvara ansluten till en 3D-skrivare för att skriva ut mönstret.
3. Säkerställa att 3D-skrivare har tillräckligt UV-härdande / gjutbar akrylplast och ett stödmaterial tillverkad av ett vaxi bläckpatroner.

2. Tillverkning av offer Mönster

1. Tillverka offer mönster som består av oktettfackverksstrukturen och inloppssystemet med hjälp av en 3D-skrivare (Figur 2A - C).
   Obs: Processer i 2.1.3 - 2.1.7 krävs inte om en 3D-skrivare som inte genererar stödmaterial används.
   1. Skicka ett STL-fil av offer mönstret till 3D-skrivare för att skriva ut en offermönster (Figur 2A).
   2. Smälta ut ett bärarmaterial av offermönstret i en ugn vid över smälttemperaturen för bärarmaterialet (60-70 C) under 2 h (figur 2B).
      Obs: Den temperatur för att avlägsna bärarmaterialet bör inte vara för hög. Annars kan det orsaka skador på offer mönstret. Offer mönstret börjar att skadas vid omkring 80 ° C i denna studie.
      Notera: Smälttemperaturen för support material varierar med 3D-skrivare där olika stödmaterial kan användas.
   3. Fyll i en digital ultraljudsrengörare med babyolja upp till 2,5 L, den maximala volymen att dammsugaren kan innehålla (figur 2C).
      Obs: Det rekommenderades av leverantören av 3D-skrivare att använda babyolja för upplösning rest av det vaxliknande bärarmaterial.
   4. Sätt offer mönster i digitala ultraljud renare och slå på strömmen till renare (figur 2C). Se till att offermönstret är helt under vatten i oljan.
   5. Avlägsna rester av bärarmaterialet genom doppning av offermönstret in i oljan vid 65 C under 40 min (figur 2C).
   6. Ta ut offer mönstret från dammsugaren om stödmaterialet har försvunnit helt.
   7. Har offer mönster torr med en fläkt vid RT (~ 20 ° C) (figur 2C).
      Obs: Det tar ca 2 timtills oljan på ytan av offermönstret är helt torkat. Överväga offermönster som skall fullständigt torkas om ytan inte är klibbig.

3. Tillverkning av Mold

1. mönster Assembly
   1. Bifoga en gummipackning för att offermönstret (oktetten fackverket med inloppssystemet) och placera dem på botten av en cylinder-formad kolv med en höjd av 6,35 cm och en diameter på 6,35 cm (figur 2D).
      Obs: Förbered två kolvar för gjutning varje metall; Al- och Cu-legeringar.
   2. Romb gummipackningen med offermönstret är helt fäst till botten av kolven.
   3. Slå in kolven med en tejp så att blandningen investeringspulver vatten, vars förfarande kommer att beskrivas i nästa avsnitt, inte läcka från kolven kan.
2. Framställning av investerings Mold
   1. Förbered investerings pulver (CaSO ₄ 3) av 89 g, vilket är 87,16 ml. Använd en skala för vägning investerings pulver.
      Notera: De fysikaliska egenskaperna hos placerings pulvret visas i tabell 1.
   2. Häll investeringen pulver i en blandningsskål (1 L).
   3. Häll vatten (114 ml) i skålen. Använd en bägare för att mäta den mängd vatten.
   4. Blanda investeringen pulvret med vatten i skålen under 3 minuter. Blanda väl tills det inte finns några klumpar i blandningen investeringspulver vatten. Annars kan det orsaka dålig ytkvalitet investerings mögel. Följa arbetet-flöde, såsom visas i fig 3.
   5. I syfte att avlägsna luftbubblor i blandningen, placera skålen i en vakuumkammare under 90 sekunder tills luftbubblorna inte kan ses i blandningen med blotta ögat (Figur 3).
   6. Häll blandningen i en kolv inbäddning offermönstret och gummipackningen (Figur 2E).
   7. Placera flask i vakuumkammaren på nytt under 90 sekunder för att avlägsna återstoden av luftbubblor inuti blandningen (figur 3).
   8. Torka blandningen inuti kolven tills den är härdad vid RT (Figur 3).
      Obs: Vanligtvis tar det cirka 10 - 15 min för den blandning som skall härdas vid RT.
   9. Avlägsna kolven och gummipackningen vid botten av blandningen i kolven när blandningen härdas (Figur 3). Denna produkt kan kallas en gipsform.
3. Utbrändhet
   1. Inrätta en burn-out tid i en ugn medan efter uppvärmnings- och kylnings schema (figur 4) upphettning 23 till 150 ° C vid 2,1 C / min; 150-370 C vid 3,7 C / min; 370-480 C vid 1,85 C / min; 480-730 C vid 4,17 C / min; 730 C under 1 timme; kylning 730-480 C vid -4,17 C / min.
      Obs: Tiden för utbrändhet vartalet med storleken på en flaska. I denna studie, ställa urbränningen tid till 6 timmar.
   2. Placera gipsformen i en ugn (Figur 2F).
   3. Slå på ugnen och öka temperaturen i ugnen för att avlägsna offermönstret inuti gipsformen. Följ temperaturförhållandet i Figur 4.
      Obs: Eftersom UV-härdande / gjutbar akrylplast, materialen i offer mönster, är en härdakrylpolymer plast, inte flyta men dissocieras till en gasfas i ugnen.
4. Centrifugalgjutning (figur 2G)
   1. Kontrollera att centrifugalgjutning maskinens arm snurrar med en vinkelhastighet av 425 varv per minut med en varvräknare efter strömmen slås på av en centrifugalgjutning maskin.
   2. Förbered två keramiska deglar som rymmer en 150 g legering att smälta. Använd separata smältdeglar för Al och Cu-legeringar för att hålla dem från att förorenas med earje andra.
   3. Slå på strömmen till centrifugalgjutning maskin.
   4. Med hjälp av en metall fräs, hacka legeringar i bitar med 10 - 20 mm i längd. Förbereda dem tillräckligt för att fullständigt fylla formrummet vars volym bör vara samma som offermönstret.
      Notera: Massan av metaller nödvändiga för att fylla samma volym av formrummet varierar väger varierande densitet för varje metall.
   5. Bär flamskyddsmedel dukar och handskar och skyddsglasögon. Förbereda en hink med vatten (30 L) vid RT.
   6. Ta gipsformen tillfälligt ut ur ugnen i avsnitt 3.3, installera den i kolven vaggan och balansera arm centrifugalgjutning maskin (Figur 5).
   7. Placera gipsformen tillbaka till ugnen och värm upp till 482 ° C före gjutningen.
   8. Placera degeln i degeln hållaren (Figur 5).
   9. Sätt hackade legeringen i degeln.
   10. Öppna ventilen av en syretank förbunden med en syre-acetylenbrännare och upprätthålla en trycknivå i tanken av 96,5 kPa (14 psi).
   11. Antända syre-acetylenbrännare med en lättare och styra intensiteten av flamman genom att justera blandningen av gaser.
       Notera: Försiktighet krävs vid användning av syre acetylen ficklampa. Dess maximala temperaturen av facklan är cirka 1200 ° C.
   12. Smält hackad legering (Al-legering eller Cu-legering) med facklan i degeln tills legeringen helt blir flytande.
   13. Rör om legeringen i degeln med en kolstav tills den hackade legeringen är fullständigt smält.
   14. Placera gipsformen i kolven vaggan tillbaka bredvid degeln med smält legering (Figur 5).
   15. Stäng locket på centrifugalgjutning maskin, låt centrifugal armen rotera och vänta åtminstone under tre minuter.
       Obs: centrifugalgjutning maskin börjar arbeta så snart som omslaget till gjutmaskinen är stängd. Centrifugal-armenroterar med en hastighet av 425 varv per minut, som motsvarar inloppshastigheten vid formhåligheten av offermönstret, v _r = 8,03 m / sek ^{28, 29} i figur 5, där inloppet-hastighet beräknas med användning av de makroskopiska partikeldynamik från en vinkel hastigheten hos den centrifugalgjutning arm ^{28, 29.}
   16. Stäng av strömmen av centrifugal gjutmaskinen efter 3 min rotation av armen.
   17. Öppna locket gjutmaskinen.
   18. Ta gipsformen ur flaskan hållaren med hjälp av tång.
   19. Hålla formen vid RT under 15 - 20 min tills färgen på smälta legeringen vänder till sin ursprungliga en i den fasta fasen.
   20. Med hjälp av tång, släcka gipsformen i vatten placeras i en hink (30 L) vid RT under ca 5 min. Se till att temperaturen på gipsformen är nära till RT efter släckning.
   21. I syfte att erhålla gittermetall inuti formen, upplösamögel i vatten. Formen gjord av gips löser sig lätt i vatten.

4. Post Processing för slutprodukter Oktett Truss Metals

1. Slå på strömmen till en sandbläster.
2. Placera oktett fackverksmetaller på plattformen inuti sandbläster och stänga dörren på maskinen.
3. Sätt på handskar och ta -sandbläster pistol.
4. Greppa sprue del av metallprodukten och blåsa ut den kvarvarande gips från gittermetall med sandbläster under 2 h.
   Obs: Intensiteten av sandbläster automatiskt fast ungefär 550 kPa. När sandbläster drivs, då luften kommer ut automatiskt från pistolen.
5. Håll sandbläster igång tills investeringen gips Återstoden i oktett fackverks metallen helt bort när du söker med blotta ögat.
   Obs: Det finns inte en mikroskopisk kriterium vid avlägsnande av gipsrester. Detta är utanför ramen för denna studie. Than avlägsnande av gips återstoden bestäms lätt med blotta ögat. Eftersom oktetten fackverket är en öppen cellstruktur, är det möjligt att se igenom och kontrollera om huruvida eller inte gips återstoden avlägsnas fullständigt.
   Obs: Försiktighet behövs för sandbläster att inte skada oktetten fackverks metall med en tunn väggtjocklek (0,5 mm) vid högt tryck (550 kPa).
6. Om investeringen gips Återstoden i oktetten fackverks metallen inte helt bort med sandbläster, använda fler inlägg bearbetningsmetoder, till exempel, en ultraljudsrengöring eller lämna produkten i vatten för en dag.
7. Vid användning av en ultraljud renare, fyll 0,7 L vatten i ultraljud renare och placera oktetten fackverks metall med gips rester i ultraljud renare.
   1. Slå på strömmen av ultraljud renare.
   2. Ställ en operation tillstånd, till exempel, tre timmar vid 70 ° C.
   3. Ta oktett fackverks metallen ur ultraljud renare gång the operation avslutas.
   4. Torka oktetten fackverks metallen vid RT tills vattnet på metallytan är helt bort.
8. Som ett alternativ efter behandlingsmetod, lämnar oktett fackverks metallen i vatten. Detta gör att gips återstoden för att lösas upp i vatten.
   1. Placera oktett fackverks metall med gips återstoden i vatten och låt den stå en dag så att bindningskraften mellan investerings gips och metallytan blir försvagas i vatten.
   2. Ta oktett fackverks metall ur vattnet.
   3. Torka oktetten fackverks metallen vid RT tills vattnet på metallytan är helt bort.
9. Med hjälp av en såg eller andra lämpliga verktyg, skär metallen fyllde hålrummet i inloppssystemet delen ut ur metallprodukten och erhållande av den slutliga oktetten truss metall med en storlek av 25 mm x 25 mm x 25 mm, såsom visas i figur 1B.

Representative Results

Använda additiv tillverkning indirekt beskrivs i protokollet avsnittet var Al- och Cu-legeringar som används för tillverkning oktett stötta metaller, som visas i figur 1 Hela gjutningsförfarande sammanfattas i figur 2 Förfarandet består av åtta avsnitt:.. (A) offer mönster utskrift (b) smält av bärarmaterial (c) avlägsnande av rester av bärarmaterial (d) mönsterenhet (e) investeringar (f) utbrändhet av offermönster (g) centrifugalgjutning, och (h) Post- bearbetning. Investeringsblandningsprocessen genomfördes för att se till att det inte fanns några klumpar i blandningen investeringen-vatten, som visas i figur 3. Den utbrändhet utfördes under 6 timmar för att smälta ut offer mönster som visas i figur 4, följt av centrifugal-gjutningsprocessen (fig 2G och fig 5). Figur 6visar de slutliga produkterna i oktett fackverks metaller med Al- och Cu-legeringar. Det visar att den smälta Al-legeringen fyller fullständigt hela gitter formhåligheten utan misrun. Å andra sidan, verkar den smälta Cu-legering ha en gjutningsdefekt med för tidig stelning i ett tidigt skede av injektion av smält metall vid inloppet.

Figur 1. En schematisk bild Oktett Truss struktur med en Sprue System. Figur 1 visar en schematisk bild av ett offermönster oktett fackverksstruktur med ett inloppssystem som används i denna studie. Inloppssystemet består av ett ark av ett 1 mm tjocklek, en 25 mm bredd, och en pelare med 10 mm i höjd och 6 mm i diameter. Inloppssystemet kan modifieras med hjälp av CAD-program, om det behövs, för design av bättre fluiditet av flytande metall. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 2. En översikt av den indirekta AM med centrifugalgjutning ordningen: (A) mönster utskrift (B) smält av bärarmaterial (C) avlägsnande av rester av bärarmaterial (D) mönster enheten (E) investeringar (F) bränna -out av offermönster (G) centrifugalgjutning, och (H) efterbearbetning. Denna siffra visar hela proceduren på tillverkning oktett fackverks metaller med hjälp av indirekt AM med centrifugalgjutning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

e 3 "src =" / filer / ftp_upload / 53.605 / 53605fig3.jpg "/>
Figur 3. arbetsschema på Beredning av gipsformen. Figur 3 visar framställningen av gipsformen och förfarandet för att härda den i kolven. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 4. utbrändhet Tidsplan för offer Mönster Inne i gipsformen. Figur 4 visar utbränning processen för offer mönster inuti den härdade blandningen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

d / 53.605 / 53605fig5.jpg "/>
Fig. 5. En Schematisk bild av en centrifugalgjutning Machine centrifugalgjutning Maskinen består av åtta delar: huvudaxel, bas, gjutning arm, vikter, kolv vaggor, kolv vaggor hålla armar, degelhållare och degeln hålla armar. Höljet arm är balanserad med rörliga vikter längs gjutningsarmen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 6. Slutprodukt av Oktett Truss Metaller: Oktett fackverkskonstruktioner med (A) Al och (B) Cu-legeringar. Det visar en ganska bra färdigställandegrad på oktetten fackverket Al-legering. Å andra sidan, är ett dåligt färdigställandegrad observerades med oktett truss Cu-legering.filer / ftp_upload / 53.605 / 53605fig6large.jpg "target =" _ blank "> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Fast egendom	Värde [enhet]
Densitet vid 20 ° C	1019 [kg / m ^ 3]
Värmeledningsförmåga vid 20 ° C	0,47 [W / (m * K)]
Värmeutvidgningskoefficient vid 20 ° C	7.22E-6 [/ ° C]
Grovhet	2.72E-6 [m]

Tabell 1. Egenskaper hos investerings Powder. Tabellen visar de fysikaliska egenskaperna hos investeringspulver som används i denna studie.

40 ml vatten till 100 g pulver
kolv diameter	Höjd
	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 siffra - Investerings pulver (g), Nedre siffra - Vatten (ml))
Notera: I denna studie används en kolv med en höjd av 6,35 cm och en diameter av 6,35 cm användes.

Tabell 2. Blandningsförhållanden av Investment pulvret med vatten för en varierandeKolv Storlek: Tabellen visar blandningsförhållanden investerings pulver och vatten för en varierande kolv dimension som rekommenderas av tillverkaren. I denna studie, är en kolv med en höjd av 6,35 cm och en diameter av 6,35 cm användes.

(A) Kemisk sammansättning av Al-legering
Material	Enhet
Aluminiumlegering	Kemisk sammansättning
		al	cr
	Min./max.	> 99	<0,05
(B) Fysikaliska egenskaper hos Al-legering
Fast egendom		Enhet
likvidustemperatur		660 ° C
	660 ° C
Densitet		2340 [kg / m ^ 3] @ 850 ° C
Specifik värme		1090 J / kg ∙ ° C
Värmeledningsförmåga		0,9428 [W / (cm * ° C)] @ 850 ° C
Viskositet		0,00087 [Pa ∙ s] @ 850 ° C
Ytspänning koefficient		900 [N / mm]

. Tabell 3 kemisk sammansättning och fysikaliska egenskaper hos aluminiumlegering ^30: (a) Kemisk sammansättning av Al-legering och (b) Fysikaliska egenskaper hos Al-legering.

(A) Kemisk sammansättning av Cu-legering
Material	Enhet
Kopparlegering (smycken brons)	Kemisk sammansättning (% Max, om inte visas som intervallet medelvärdet)
		cu	Si	zn	mg	Pb
	Min./max.	91,9	4	4	0,25 Max	0,25 Max
(B) Fysikaliska egenskaper hos Cu-legering
Fast egendom			Enhet
likvidustemperatur			1035 ° C
solidustemperatur			1005 ° C
Densitet			7.200 [kg / m ^ 3] @ 1200 ° C				Specifik värme			380 J / kg ∙ ° C
Värmeledningsförmåga			1,44 [W / (cm * ℃)] @ 1200 ° C
Viskositet			0,0038 [Pa ∙ s] @ 1200 ° C
Ytspänning koefficient			1500 [N / mm]

. Tabell 4 Kemisk sammansättning och fysikaliska egenskaper hos Cu Alloy ^30: (a) Kemisk sammansättning av Cu-legering och (b) Fysikaliska egenskaper hos Cu-legering.

Discussion

För konventionell metallgjutning, är det viktigt att hålla den smälta metallens flöde slät och rationaliseras i "laminärt" i formrummet och snarare undvika oregelbunden och upprörd flöde allmänt förekommer i turbulent flöde ^27. Följaktligen är det viktigt att kunna utforma inloppet hos inloppssystemet associerad med rotationshastigheten hos en centrifugal arm för att upprätthålla flödet av smält metall inuti galler formhåligheten 'laminärt'.

I denna studie, de kritiska stegen av protokollet är blandningen av investerings pulvret med vatten, urbränningen av offermönstret och centrifugal-gjutningsprocessen. Blandningsprocessen investerings pulvret med vatten är viktigt eftersom kvaliteten på gipsformen är i huvudsak styrs av denna process, därefter påverka färdigställandegrad av slutprodukterna från oktett fackverks metaller. Till exempel, om blandningen investeringen-vatten är alltför grov, ytan roughness blir hög, vilket resulterar i dålig ytfinish av slutprodukter. Bränningen-process av offer mönstret är också viktigt att bestämma kvaliteten på slutprodukterna, eftersom rester av offer mönstret orsakar en gjutningsdefekt såsom misrun eller metall penetration om offer mönstret inte är helt utbränd. Det sista viktigt steg är centrifugalgjutning process. Korrekt inställning för gjutning krävs för att helt fylla flytande metall i investeringsformrummet med ett komplext nätverk formad oktett fackverkskonstruktion.

Såsom kan ses i figur 6, under samma processbetingelser, t ex., Inloppshastigheten, inloppstemperatur av smält metall, förvärmningstemperaturen av mögel, visar Cu-legering en för tidig stelning i en gitterformhålighet med en väggtjocklek av 0,5 mm (figur 6 (b)). Detta tros vara orsakad av hög ytspänning (1500 N / mm) och hög viskositet (0,00038 Pa-s) iCu-legering genom mikro-kanalen i gittret formhåligheten. Å andra sidan, verkar det som en relativt låg ytspänning koefficient (900 N / mm) och viskositet (0,00087 Pa-s) av den smälta Al-legeringen gör det möjligt att till fullo fylla oktetten truss gitter formhåligheten. Det rekommenderas att hitta en optimal inloppshastighet av smält metall för gjutning av 3D nätverksgitterstrukturer med en tunn väggtjocklek för att övervinna den plötsliga förändringen i flödesriktningen för smält metall och effekten av ytspänning i mikro-kanalen i lattice strukturell formhåligheten.

Ytspänningen effekten av smält metall är känd för att vara dominerande på en tunn kanal där denna gitter hålighet mögel geometrin i denna studie kan tillämpas. Det kan vara möjligt att tillverka ett gitter Cu-legering med en tjockare väggtjocklek och högre insprutningshastigheten för centrifugalgjutning såsom visas i vårt tidigare arbete ^28-29.

Direkt AM metoder such som SLM och EBM har övervägts för möjliga tillverkningsmetoder för lätta 3D gitter metaller. Men direkta AM metoder verkar vara begränsad i val av material. Till exempel är nuvarande EBM teknik begränsade till Ti-6Al-4V och Inconel ^31. Trots sin omfattande användning inom flyg- och bio-implantat applikationer, aluminium, till exempel, är inte produceras med denna teknik. Teoretiskt kan det vara möjligt att förlänga den direkta AM till andra pulver metaller genom noggrann kontroll av processparametrar. Men i praktiken, direkt AM har rapporterats ha svårt att tillverka delar med metallpulver med hög optisk reflektans och hög värmeledningsförmåga, Al eg.,. Dessutom avdunstning och eventuell explosion i byggkammaren har utfärdats för aluminiumpulver ^31.

Den föreslagna indirekta AM teknik är betydelsefullt eftersom det gör det möjligt att tillverka fackverkskonstruktioner med metaller därdirekta AM metoder upplever svårigheter, vilket resulterar i att ge totala tillverkningskapacitet av 3D gitter metaller med både direkta och indirekta AMS genom att utöka utbudet av valet av metaller. Dessutom centrifugalgjutning, ett steg i denna studie, är känt att förse en isotropisk egenskap hos metalldelar på grund av relativt lika spridning av smält metall in i formhåligheten. Detta kan lösa den aktuella frågan om direkt AM på anisotropi som orsakas av både lager tillverkning och anisotropisk bildandet av korn ^20-21.

Utforska andra metaller för indirekt AM tillsammans med studier om effekten av processparametrar på gittergeometrier kommer att lämnas till vårt framtida arbete.

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.