Indirekte Herstellung von Lattice Metals mit Dünnschliffen Mit Schleuderguss

Summary

Ein indirektes additive Herstellungsverfahren eine 3D-Druck von Polymeren mit einer Schleuderguss Kombination zum Herstellen 3D-Oktett-Gerippe Metalle (Al und Cu-Legierungen) mit einer Einheitszellenlänge von 5 mm mit einer Wanddicke von 0,5 mm beschrieben.

Abstract

Eines der typischen Methoden 3D-Gitter Metalle herzustellen ist die direkte Metall-Additive Manufacturing (AM) Verfahren wie Selective Laser Melting (SLM) und Elektronenstrahlschmelzen (EBM). Trotz ihrer potentiellen Verarbeitungsfähigkeit hat das direkte AM Verfahren mehrere Nachteile, wie hohe Kosten, schlechte Oberflächengüte von Endprodukten, die Beschränkung in der Materialauswahl, hohe thermische Beanspruchung, und anisotropen Eigenschaften der Teile. Wir schlagen vor, eine kosteneffektive Methode 3D-Gitter Metallen herzustellen. Das Ziel dieser Studie ist es, ein detailliertes Protokoll für die Herstellung von 3D - Gittermetalle , um eine komplexe Form und eine dünne Wandstärke aufweist, beispielsweise Oktett - Gerippe aus Al und Cu - Legierungen mit einer Elementarzellenlänge von 5 mm und einer Zellwandstärke von 0,5 mm. Eine Gesamt experimentelle Verfahren ist in acht Abschnitte unterteilt: (a) 3D-Druck von Opferstrukturen (b) Schmelz von Trägermaterialien (c) Entfernen von Rückständen von Trägermaterialien (d) Muster assembly (e) Investitionen (f) Burn-out von Opferstrukturen (g) Schleuderguss (h) Nachbearbeitung für Endprodukte. Die vorgeschlagene indirekte AM - Technik bietet das Potenzial , ultraleichten Gitter Metalle herzustellen;. B. Gitterstrukturen mit Al - Legierungen. Es scheint, dass die Prozessparameter sollten richtig in Abhängigkeit von Material und Gittergeometrie gesteuert werden, durch die indirekte AM Technik, um die Endprodukte der Oktett-Gerippe Metallen zu beobachten.

Introduction

Cellular Metalle sind die Metalle aus einem Verbundnetz von festen Streben oder Platten und haben komplexe Mikroarchitekturen mit Hohlräumen ¹ aus. Beispiele umfassen sowohl i) zufällig strukturierten stochastischen Schaumstoffen und ii) periodisches zweidimensionalen (2D) Waben und dreidimensionale (3D) Gitterfachwerkkonstruktionen angeordnet. Sie haben Aufmerksamkeit aufgrund ihrer hohen spezifischen Steifigkeit und Festigkeit ^1-3 und hohe spezifische Belastbarkeit ^4-5, hervorragende Energieabsorption für Stoßbelastung ^6, Schalldämmung ^7, mögliche Ausgestaltung Wärmeableiter und Wärmetauscher ^8. Insbesondere periodisch geordneten Gitterstrukturen haben das Potenzial, die Eigenschaften überlegen mit einer Fähigkeit zu konstruieren, die interne poröse Netzwerk Geometrie zu steuern.

Aufgrund ihrer komplexen inneren porösen Netzgeometrie ist es schwierig, zellulare Metalle herzustellen unter Verwendung des herkömmlichen subtraktiven machininG. Als solche haben damit begonnen , die Forscher nach alternativen Methoden suchen zellulären Metallen herzustellen: Gas in Flüssigmetallumformung oder Metallpulver Mischen mit Treibmittel wurden ⁹ zur Herstellung von stochastischen Metallformen erforscht. Aufgrund des Mangels an Kontrolle über die Zellentopologie, ist es schwierig, mechanische Eigenschaften maßzuschneidern. Alternativ wurden Methoden der Herstellung für periodisch geordneten Zell Metalle untersucht: dünne Bleche aus Metall - Stanzen in eine gewellte Form , gefolgt von ihnen verbinden periodische Strukturen ¹⁰ zu schaffen, geschlitzt Verbinden von Metallbleche ^11, Extrusion ^12, Weben und lodernden Metallfäden Textilien herzustellen ^13. Obwohl diese Herstellungsverfahren wiederholbare Muster bieten, werden die Muster noch in der planaren Richtung begrenzt. In dem Bemühen , 3D - Muster Wiederholung zu erzeugen, begann Forscher Additive Manufacturing (AM) unter Verwendung, zB Selective Laser Melting (SLM) ^14, Elektronenstrahlschmelzen (EBM) 16. Trotz ihrer Fähigkeit zur Herstellung 3D komplexen Gittergeometrien bestellt haben , gibt es immer noch einige Einschränkungen: Schwierigkeit Metalle mit hoher Wärmeleitfähigkeit und hohe optische Reflexionsvermögen ^17, eine hohe thermische Restspannung ^18, schlechte Oberflächengüte mit dem "Balling" Phänomen während Laser- oder Elektronenschmelz mit ^{19, 20-21} anisotropen Eigenschaften von Teilen durch eine kombinierte Wirkung der Schichtherstellung, anisotropen Bildung von Körnern, Pulver Größe, Leistung und Abtastgeschwindigkeit des Lasers oder Elektronenstrahls ^15, hoher Energieverbrauch verursacht wird , etc.

Polymer auf Basis AM mit den Metallguss Kombination kann ein alternatives Verfahren bereitzustellen Gitter Metallen herzustellen. Man kann diese "indirekte AM" nennen. Indirekte AM eine Lösung bieten kann, die technischen Probleme der direkten AM von oben genannten Metalle zu überwinden. Mehrere Anstrengungen ma gewesende zur Herstellung von Gitter Metalle mittels indirekter 3D - Druck von Polymeren mit Schwerkraftguss ^22-25 AM Kombination, zB eine Feinguss mit Fused Deposition Modeling (FDM) kombiniert , um eine Kristallgitter - Legierung ^22-25 oder Sandguss mit einem Sand - Pulver kombiniert herzustellen basierend AM ^23. Die Schwerkraftguss erscheint eine technische Herausforderung bleiben zu überwinden - misrun und Porosität durch plötzliche Erstarrung von Metallschmelzen verursacht , wenn sie Netzstrukturen mit scharfen Ecken der Gitterstrukturformen ^25-26 erfüllen. Relativ große Oberfläche von Gitterstrukturformen scheint auch plötzliche Abkühlung beizutragen, zu vorzeitigem Erstarren resultierende ^25-26.

In dieser Studie schlagen wir eine alternative indirekte AM, die die misrun bei der Herstellung von Gitter Metalle überwinden kann - durch eine 3D gemacht Schleuderguss auf einem Gitterformhohlraum gedruckt Gitteropferpolymermuster. Wir verwenden eine digitaleLight Processing (DLP) basierenden 3D-Druckverfahren mit einem Gitterstrukturopferstruktur gefolgt von Schleuderguss von Al und Cu-Legierungen zu bauen. Das Ziel dieser Studie ist es, ein detailliertes Protokoll für die Herstellung von 3D-Gittermetalle, um eine komplexe Form und eine dünne Wandstärke aufweist. Der Hauptbeitrag dieses Prozesses ist es, eine Möglichkeit zu bieten, um die Auswahl von Materialien mit niedrigen Herstellungskosten für die Herstellung von Gittermetalle zu verlängern.

Protocol

1. Planung des Experiments

1. Zeichnen Sie eine Opferstruktur (ein Oktett Fachwerkstruktur mit einem Angusssystem) unter Verwendung von Computer Aided Design (CAD) Software , wie in Abbildung 1 und speichern Sie das CAD - Modell als STL - Datei - Format angezeigt.
   Hinweis: Die Opferstruktur ist ein integriertes Muster des Oktetts Fachwerkstruktur mit einem Angusssystem, das zum Gießen schließlich geschmolzen wird. Da die Opferstruktur sowohl die Struktur als Oktett-Gerippe enthält und das Angusssystem, ist es nicht genau repräsentieren die Oktett-Gerippe selbst. Eine STL-Datei des Opferstruktur vorgesehen. Aufzeichnen, das Volumen des Opferstruktur durch CAD-Software, die Masse "für die Berechnung der Metalle verwendet wird.
2. Öffnen Sie die CAD-Zeichnung des Opferstruktur auf dem 3D-Druck-Software zu einem 3D-Drucker verbunden ist, zum Drucken des Musters.
3. Stellen Sie sicher, dass die 3D-Drucker genügend UV-härtende / gießbare Acryl-Kunststoff und ein Trägermaterial aus einem Wachsin den Druckerpatronen.

2. Herstellung von Opferstruktur

1. Herstellung der Opferstruktur , bestehend aus dem Oktett - Fachwerkkonstruktion und dem Angusssystem mit einem 3D - Drucker (2A - C).
   Hinweis: Prozesse in 2.1.3 - 2.1.7 sind nicht erforderlich, wenn ein 3D-Drucker, die erzeugt keine unterstützende Materialien verwendet wird.
   1. Senden Sie eine STL - Datei des Opferstruktur auf dem 3D - Drucker eine Opferstruktur (2A) zu drucken.
   2. Schmelze aus einem Trägermaterial aus der Opferstruktur in einem Ofen bei über der Schmelztemperatur des Trägermaterials (60-70 C) für 2 Stunden (2B).
      Anmerkung: Die Temperatur des Trägermaterials zu entfernen, nicht zu hoch sein sollte. Andernfalls kann es zu Schäden an der Opferstruktur führen. Die Opferstruktur beginnt bei rund 80 ° C in dieser Studie immer beschädigt.
      Hinweis: Die Schmelztemperatur von support Materialien variiert mit 3D-Druckern, wo verschiedene Trägermaterialien verwendet werden.
   3. Füllen Sie eine digitale Ultraschall - Reiniger mit Babyöl bis zu 2,5 L, das maximale Volumen , dass der Reiniger enthalten (Abbildung 2C).
      Hinweis: Es wurde von dem Lieferanten des 3D-Drucker empfohlen Babyöl zu verwenden, für Rest des wachsartigen Trägermaterial zu lösen.
   4. Legen Sie die Opferstruktur in die digitale Ultraschall - Reiniger und schalten Sie das Gerät des Reinigers (Abbildung 2C). Stellen Sie sicher, dass die Opferstruktur vollständig in das Öl eingetaucht ist.
   5. Entfernen Rückstände des Trägermaterials durch die Opferstruktur in das Öl bei 65 ° C Eintauchen für 40 min (Figur 2C).
   6. Nehmen Sie die Opferstruktur aus dem Staubsauger heraus, wenn das Trägermaterial vollständig entfernt wird.
   7. Haben die Opferstruktur trocken mit einem Ventilator bei RT (~ 20 ° C) (Abbildung 2C).
      Hinweis: Es dauert etwa 2 Stundenbis das Öl auf der Oberfläche der Opferstruktur wird vollständig getrocknet. Betrachten wir die Opferstruktur vollständig getrocknet werden, wenn die Oberfläche nicht klebrig ist.

3. Herstellung von Mold

1. Muster Assembly
   1. Befestigen einer Gummidichtung an der Opferstruktur (das Oktett - Gerippe mit dem Angusssystem) und sie auf dem Boden eines zylinderförmigen Kolben , der mit einer Höhe von 6,35 cm und einem Durchmesser von 6,35 cm (2D).
      Hinweis: Bereiten Sie zwei Flaschen für jedes Metallguss; Al und Cu-Legierungen.
   2. Überprüfen Sie die Gummidichtung mit dem Opfermuster wird vollständig auf den Boden des Kolbens angebracht.
   3. Wickeln Sie den Kolben mit einem Klebeband, so dass Investitionen Pulver-Wasser-Gemisch, dessen Verfahren wird im nächsten Abschnitt beschrieben wird, kann nicht aus dem Kolben austreten.
2. Vorbereitung von Investitions Mold
   1. Bereiten Sie Einbettpulver (CaSO ₄ 3) von 89 g, die 87,16 ml ist. Verwenden Sie eine Skala zum Wiegen des Einbettpulver.
      Hinweis: Die physikalischen Eigenschaften des Anlage Pulvers sind in Tabelle 1 gezeigt.
   2. Gießen Sie die Investition Pulver in eine Rührschüssel (1 l).
   3. Gießen Sie Wasser (114 ml) in die Rührschüssel. Verwenden Sie einen Becher das Volumen des Wassers zu messen.
   4. Mischen Sie die Investition Pulver mit Wasser in der Schüssel für 3 min. Gut mischen, bis es keine Klumpen in der Anlage Pulver-Wasser-Gemisch sind. Andernfalls kann es schlechte Oberflächenqualität der Anlageform verursachen. Folgen Sie dem Arbeitsablauf, wie in Abbildung 3 gezeigt.
   5. Um Luftblasen in der Mischung, die Schüssel in einer Vakuumkammer für 90 Sekunden , bis die Luftblasen nicht in der Mischung mit bloßen Augen (Abbildung 3) zu sehen ist zu entfernen.
   6. Die Mischung wurde in einen Kolben , der Opferstruktur einzubetten und die Gummidichtung (Figur 2E).
   7. Legen Sie die flask in der Vakuumkammer wieder für 90 sec den Rückstand von Luftblasen in der Mischung (3) zu entfernen.
   8. Trocknen der Mischung im Inneren des Kolbens , bis er bei RT (3) ausgehärtet wird.
      Anmerkung: In der Regel dauert es etwa 10 bis 15 min für die Mischung bei RT gehärtet werden.
   9. Man nimmt den Kolben und die Gummidichtung an der Unterseite der Mischung in dem Kolben , wenn das Gemisch ausgehärtet wird (Abbildung 3). Dieses Produkt kann eine Gipsform bezeichnet werden.
3. Ausbrennen
   1. Stellen Sie einen Burn-out - Zeit in einem Ofen, während die Heizung und Kühlung folgenden Zeitplan (Abbildung 4) Heizung 23-150 ° C bei 2,1 C / min; 150-370 C bei 3,7 C / min; 370-480 C bei 1,85 C / min; 480-730 C bei 4,17 C / min; 730 C für 1 Stunde; Kühl 730-480 C bei -4,17 C / min.
      Hinweis: Die Zeit für Burn-out-varies mit der Größe eines Kolbens. In dieser Studie, stellen Sie die Burn-out-Zeit bis 6 Stunden.
   2. Legen Sie die Gipsform in einem Ofen (2F).
   3. Schalten Sie den Ofen und erhöhen Temperatur im Ofen die Opferstruktur innerhalb der Gipsform zu entfernen. Folgen Sie der Temperaturzustand in Abbildung 4.
      Hinweis: Da das UV-härtbare / gießbare Acryl-Kunststoff, die Materialien der Opferstruktur, ein Acryl-Polymer-Kunststoff duroplastischen ist, ist es nicht fließt, sondern auf einer Gasphase in dem Ofen dissoziiert.
4. Schleuderguss (2G)
   1. Überprüfen Sie, ob die Schleudergußmaschine Arm mit einer Winkelgeschwindigkeit von 425 Umdrehungen pro Minute dreht sich auf der Leistung eines Schleudergussmaschine mit einem Drehzahlmesser nach dem Einschalten.
   2. Bereiten Sie zwei Keramiktiegel, die eine 150 g-Legierung zu schmelzen halten kann. Verwenden Sie getrennte Tiegel für Al- und Cu-Legierungen, damit sie nicht mit e kontaminiertACH andere.
   3. Schalten Sie die Energie der Schleudergußmaschine.
   4. Mit einem Metallschneider, hacken die Legierungen in Stücke mit 10 - 20 mm in der Länge. Bereiten sie genug vollständig in den Formhohlraum zu füllen, dessen Volumen sollte das gleiche wie das Opferstruktur sein.
      Anmerkung: Die Masse der Metalle erforderlich, um das gleiche Volumen des Formhohlraums ausfüllen Berücksichtigung variiert für jedes Metall variierender Dichte.
   5. Tragen Sie flammhemmende Stoffe und Handschuhe und Schutzbrille tragen. Bereiten Sie einen Eimer mit Wasser (30 L) bei RT.
   6. Nehmen Sie die Gipsform vorübergehend aus dem Ofen in Abschnitt 3.3, installieren Sie sie in den Kolben Wiege und das Gleichgewicht der Arm der Schleudergußmaschine (Abbildung 5).
   7. Legen Sie die Gipsform zurück in den Ofen und Vorheizung bis 482 ° C vor dem Gießen.
   8. Den Tiegel in den Tiegel Halter (Abbildung 5).
   9. Legen Sie die gehackte Legierung in den Tiegel.
   10. Öffnen des Ventils eines SauerstoffBehälter mit einem Sauerstoff-Acetylen-Brenner verbunden ist und einen Druckpegel in dem Tank von 96,5 kPa (14 psi) aufrechterhalten.
   11. Zünden des Sauerstoff-Acetylen-Brenner mit einem leichteren und steuern die Intensität der Flamme, die durch die Mischung der Gase eingestellt wird.
       Hinweis: Vorsicht ist geboten, wenn die Sauerstoff-Acetylen-Fackel. Seine Maximaltemperatur des Brenners liegt bei etwa 1.200 ° C.
   12. Melt gehackt Legierung (Al-Legierung oder Cu-Legierung) mit der Fackel in den Tiegel, bis die Legierung vollständig flüssig wird.
   13. Rühren Sie die Legierung im Tiegel mit einem Kohlenstoffstab, bis die gehackte Legierung vollständig geschmolzen ist.
   14. Legen Sie die Gipsform in den Kolben Wiege zurück neben dem Tiegel enthält geschmolzene Legierung (Abbildung 5).
   15. Schließen Sie die Abdeckung der Schleudergußmaschine, lassen Sie den zentrifugalen Arm drehen und mindestens 3 Minuten warten.
       Hinweis: Die Schleudergußmaschine beginnt, sobald die Abdeckung der Gießmaschine Betrieb geschlossen ist. Der Schleuderarmrotiert mit einer Drehzahl von 425 Umdrehungen pro Minute , die bei dem Formhohlraum der Opferstruktur, v _r = 8,03 auf die Eintrittsgeschwindigkeit entspricht m / sec ^{28, 29} in Figur 5 , wo die Einlassgeschwindigkeit die makroskopischen Teilchendynamik aus einem Winkel berechnet wird Geschwindigkeit des Schleuderguss Arm ^{28, 29.}
   16. Schalten Sie den Strom der Schleudergußmaschine nach dem 3 min Drehung des Armes ab.
   17. Öffnen Sie die Abdeckung der Gießmaschine.
   18. Nehmen Sie die Gipsform aus dem Kolben Wiege mit einer Zange.
   19. Halten der Form bei RT für 15 bis 20 min, bis die Farbe der geschmolzenen Legierung in seine ursprüngliche einem in der Festphase dreht.
   20. Mit einer Zange, löschen die Gipsform in Wasser in einen Eimer gelegt (30 L) bei RT für ca. 5 min. Stellen Sie sicher, dass die Temperatur der Gipsform auf RT nach dem Abschrecken nahe ist.
   21. Um das Gitter Metall in der Form zu erhalten, lösen sich dieSchimmel in Wasser. Die Form aus Gips löst sich leicht in Wasser.

4. Post-Processing für Endprodukte von Octet Truss Metals

1. Schalten Sie die Leistung eines Sandstrahler.
2. Legen Sie die Oktett-Gerippe Metalle auf der Plattform innerhalb der Sandstrahler und schließen Sie die Tür der Maschine.
3. Setzen Sie auf Handschuhe und die Sandstrahler Pistole greifen.
4. Besorgen Sie sich die Anguss Teil des Metallprodukts und blasen den Rest Gips aus dem Gittermetall aus mit dem Sandstrahler für 2 Std.
   Anmerkung: Die Intensität des Sandstrahler wird automatisch etwa auf 550 kPa festgelegt. Sobald der Sandstrahler betrieben wird, dann kommt die Luft automatisch aus der Pistole aus.
5. Halten Sie die Sandstrahler Lauf, bis die Investition Gipsrückstand innerhalb des Metall Oktett-Gerippe vollständig während der Überprüfung mit bloßem Auge entfernt wird.
   Hinweis: Es gibt nicht eine mikroskopische Kriterium beim Entfernen von Gipsrückstand. Dies würde den Rahmen dieser Studie. Ter die Entfernung des Pflasters Rückstand wird leicht mit dem bloßen Auge bestimmt. Da das Oktett-Gerippe eine offene Zellstruktur ist, ist es möglich, durch und überprüfen, um zu sehen, ob oder ob nicht der Putz Rückstand vollständig entfernt.
   Hinweis: Vorsicht ist für die Sandstrahler benötigt, um nicht das Oktett-Gerippe Metall mit einer dünnen Wandstärke (0,5 mm) bei dem hohen Druck (550 kPa) beschädigt werden.
6. Wird die Investition Gipsrückstand innerhalb des Metall Oktett - Gerippe nicht vollständig mit dem Sandstrahler, verwenden Sie zusätzliche Nachbearbeitung Methoden entfernt wird, zB eine Ultraschallreinigung oder dem Verlassen des Produkts in Wasser für einen Tag.
7. Im Falle der Verwendung eines Ultraschall-Reiniger verwenden, füllen 0,7 l Wasser in den Ultraschall-Reiniger und legen Sie das Oktett-Gerippe Metall mit Gips Rückstand im Ultraschallreiniger.
   1. Schalten Sie die Leistung des Ultraschallreiniger.
   2. Eingestellt , einen Betriebszustand, beispielsweise 3 Stunden bei 70 ° C.
   3. Nehmen Sie das Oktett-Gerippe Metall einmal aus dem Ultraschallreiniger the Betrieb endet.
   4. Trocknen Sie die Oktett-Gerippe Metall bei RT, bis das Wasser auf der Metalloberfläche vollständig entfernt wird.
8. Als Alternative Postverarbeitungsverfahren, lassen Sie das Oktett-Gerippe Metall in Wasser. Dies bewirkt, dass die Gipsrückstand in Wasser gelöst werden.
   1. Legen Sie das Oktett-Gerippe Metall mit dem Gips Rückstand in Wasser und lassen Sie ihn für einen Tag, so dass die Bindungskraft zwischen den Anlage Putz und der Metalloberfläche Wasser schwächen wird.
   2. Nehmen Sie das Oktett-Gerippe Metall aus dem Wasser.
   3. Trocknen Sie die Oktett-Gerippe Metall bei RT, bis das Wasser auf der Metalloberfläche vollständig entfernt wird.
9. Mit einer Säge oder einem anderen geeigneten Werkzeugen, schneiden das Metall den Hohlraum des Angusssystemteil aus dem Metallprodukt gefüllt und erhalten die endgültige Oktett - Gerippe Metall mit einer Größe von 25 mm x 25 mm x 25 mm, wie in 1B gezeigt.

Representative Results

Der indirekten additive Herstellungs in dem Protokoll beschrieben, Al und Cu - Legierungen wurden zur Herstellung von Oktett - Gerippe Metalle verwendet, wie in Figur 1 gezeigt , um die gesamte Gießvorgang in Abbildung 2 zusammengefasst ist das Verfahren besteht aus acht Abschnitten:.. (A) Opfer Musterdrucken (b) Schmelz aus Trägermaterial (c) Entfernen des Restes des Trägermaterials (d) Modellanordnung (e) Anlagen (f) Ausbrennen von Opferstrukturen (g) Schleudergießen, und (h) post- Verarbeitung. Die Investition Mischverfahren wurde verwendet , um sicherzustellen , dass ausgeführt wird, dass es keine Klumpen in der Anlage-Wasser - Mischung waren, wie in Abbildung 3 gezeigt. Das Burn-out - Verfahren wurde für 6 Stunden ausgeführt , um die Opferstruktur zu schmelzen, wie in Abbildung gezeigt 4, durch das Schleudergussverfahren , gefolgt (2G und Abbildung 5). Abbildung 6zeigt die Endprodukte der Oktett-Gerippe Metalle Al und Cu-Legierungen. Es zeigt, dass das geschmolzene Al-Legierung vollständig die gesamte Gitterformhohlraum ohne misrun füllt. Auf der anderen Seite, wird das geschmolzene Cu-Legierung mit einer Gießfehler mit vorzeitiger Erstarrung bei der frühen Phase der Injektion von geschmolzenem Metall an dem Einlass zu haben.

Abbildung 1. Schematische Darstellung der Octet Truss Structure mit einem Angusssystem. Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Opferstruktur von Oktett Fachwerkstruktur mit einem Angusssystem in dieser Studie verwendet. Das Angusssystem besteht aus einer Folie aus einem 1 mm Dicke, 25 mm Breite und einer Säule mit 10 mm Höhe und 6 mm im Durchmesser. Das Angusssystem kann unter Verwendung von CAD-Software geändert werden, falls erforderlich, für die Gestaltung von bessere Fluidität des flüssigen Metalls. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 2. Ein Überblick über die indirekte AM mit Schleuderguss Verfahren: (A) Musterdruck (B) Schmelz aus Trägermaterial (C) Entfernung von Rückständen von Trägermaterial (D) Modellanordnung (E) Investitionen (F) brennen -out von Opferstruktur (G) Schleuderguss, und (H) Nachbearbeitung. Oktett - Gerippe Metalle mittels indirekter AM mit Schleuderguss Diese Abbildung zeigt das gesamte Verfahren auf die Herstellung. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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Abbildung 3. Arbeitsplan zur Vorbereitung des Gipsform. Abbildung 3 zeigt die Herstellung der Gipsform und das Verfahren sie in den Kolben zu härten. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 4. Burn-out Zeitplan der Opferstruktur Innerhalb der Gipsform. Abbildung 4 zeigt die Burn-out - Verfahren der Opferstruktur innerhalb der gehärteten Mischung. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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. Abbildung 5 ein Schema eines Schleudergußmaschine Die Schleudergussmaschine besteht aus acht Komponenten: Hauptwelle, Basis, Gießen Arm, Gewichte, Kolben Wiegen, Kolben Wiegen Haltearme, Tiegelhalter und Tiegel Haltearme. Das Gehäuse Arm ist ausgeglichen mit Gewichten entlang des Gießens Arm zu bewegen. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 6. Endprodukt der Oktett - Gerippe Metalle: Oktett Binderkonstruktionen mit (A) Al und (B) Cu - Legierungen. Es zeigt einen recht guten Grad der Fertigstellung auf dem Oktett-Gerippe Al-Legierung. Auf der anderen Seite, ein schlechter Fertigstellungsgrad wird mit dem Oktett-Gerippe Cu-Legierung beobachtet.files / ftp_upload / 53605 / 53605fig6large.jpg "target =" _ blank "> Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Eigentum	Wert [Einheit]
Dichte bei 20 ° C	1019 [kg / m ^ 3]
Wärmeleitfähigkeit bei 20 ° C	0,47 [W / (m * K)]
Wärmeausdehnungskoeffizient bei 20 ° C	7.22E-6 [/ ° C]
Rauheit	2.72E-6 [m]

Tabelle 1 aufgeführt . Die Eigenschaften des Einbettpulver. Diese Tabelle zeigt die physikalischen Eigenschaften des Einbettpulver in dieser Studie verwendet.

40 ml Wasser auf 100 g Pulver
Flask Durchmesser	Höhe
	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
(Bild oben - Anlage Pulver (g), unteres Bild - Wasser (ml))
Hinweis: In dieser Studie wurde ein Kolben, der mit einer Höhe von 6,35 cm und einem Durchmesser von 6,35 cm verwendet wird.

Tabelle 2. Mischbedingungen Investitions Pulver mit Wasser für eine UnterschiedlichFlaschengröße: Diese Tabelle zeigt die Mischbedingungen des Investmentpulver und Wasser für eine unterschiedliche Kolbengröße vom Hersteller empfohlen. In dieser Studie wurde ein Kolben, der mit einer Höhe von 6,35 cm und einem Durchmesser von 6,35 cm verwendet.

(A) Chemische Zusammensetzung der Al-Legierung
Stoff	Einheit
Aluminiumlegierung	Chemische Zusammensetzung
		Al	Cr
	Minimal Maximal.	> 99	<0,05
(B) Die physikalischen Eigenschaften der Al-Legierung
Eigentum		Einheit
Liquidustemperatur		660 ° C
	660 ° C
Dichte		2.340 [kg / m ^ 3] @ 850 ° C
Spezifische Wärme		1,090 J / kg ° C ∙
Wärmeleitfähigkeit		0,9428 [W / (cm * ° C)] @ 850 ° C
Viskosität		0,00087 [Pa ∙ s] @ 850 ° C
Die Oberflächenspannung Koeffizient		900 [N / mm]

. Tabelle 3 Chemische Zusammensetzung und physikalische Eigenschaften der Al - Legierung ^30: (a) Chemische Zusammensetzung der Al - Legierung und (b) Physikalische Eigenschaften der Al - Legierung.

(A) Die chemische Zusammensetzung der Cu-Legierung
Stoff	Einheit
Kupferlegierung (Schmuck Bronze)	Chemische Zusammensetzung (% Max, es sei denn als Bereich mittlerer gezeigt)
		Cu	Si	Zn	mg	Pb
	Minimal Maximal.	91.9	4	4	0,25 Max	0,25 Max
(B) Die physikalischen Eigenschaften der Cu-Legierung
Eigentum			Einheit
Liquidustemperatur			1.035 ° C
Solidus Temperatur			1.005 ° C
Dichte			7,200 [kg / m ^ 3] @ 1200 ° C				Spezifische Wärme			380 J / kg ° C ∙
Wärmeleitfähigkeit			1,44 [W / (cm * ℃)] @ 1200 ° C
Viskosität			0,0038 [Pa ∙ s] @ 1200 ° C
Die Oberflächenspannung Koeffizient			1,500 [N / mm]

. Tabelle 4 Chemische Zusammensetzung und physikalische Eigenschaften von Cu - Legierung ^30: (a) Chemische Zusammensetzung der Cu - Legierung und (b) Die physikalischen Eigenschaften der Cu - Legierung.

Discussion

Bei herkömmlichen Metallguss, ist es wichtig , das geschmolzene Metall der Fluss glatt und rationalisiert in "laminar" in den Formhohlraum zu halten und lieber vermeiden unregelmäßig und bewegten Strömung im Allgemeinen in einer turbulenten Strömung ²⁷ beobachtet. Dementsprechend ist es wichtig, richtig den Einlass des Angusssystems mit der Drehgeschwindigkeit eines Schleuderarm verbunden zu entwerfen den Fluss von geschmolzenem Metall im Inneren des Gitter Formhöhlung 'laminar' aufrechtzuerhalten.

In dieser Studie werden die kritischen Schritte des Protokolls das Mischen von Anlage Pulver mit Wasser, das Ausbrennen des Opferstruktur und das Schleudergussverfahren. Der Mischvorgang der Investitionen Pulver mit Wasser ist wichtig, weil die Qualität der Gipsform in erster Linie durch diesen Prozess gesteuert wird, anschließend den Grad der Fertigstellung der Endprodukte von Oktett-Gerippe Metalle beeinflussen. Zum Beispiel, wenn die Investition-Wasser-Gemisch zu grob ist, wird die Oberfläche roughness hoch wird, in einem schlechten Oberflächengüte von Endprodukten führt. Der Burn-out-Prozeß der Opferstruktur ist auch wichtig, um die Qualität der Endprodukte zu bestimmen, weil Rest der Opferstruktur einen Gießfehler wie misrun oder Metall Eindringen verursacht, wenn die Opferstruktur nicht vollständig ausgebrannt. Der letzte Schlüsselschritt ist die Schleudergussverfahren. Die richtige Setup für das Gießen erforderlich ist, um vollständig flüssige Metall zu füllen mit einem komplexen Netzwerk förmigen Oktett Gerüststruktur in der Anlageformhohlraum aus.

Wie in Abbildung 6 unter den gleichen Verarbeitungsbedingungen gesehen werden, z. B. die Einlaßgeschwindigkeit, die Einlaßtemperatur des geschmolzenen Metalls, Vorheiztemperatur der Form zeigt Cu Legierung eine vorzeitige Erstarrung in einer Gitterformhohlraum mit einer Wanddicke von 0,5 mm (Figur 6 (b)). Dies wird vermutlich durch die hohe Oberflächenspannung (1500 N / mm) und hoher Viskosität (0,00038 Pa · s) verursacht werden, vonCu-Legierung durch den Mikrokanal in dem Gitterformhohlraum. Auf der anderen Seite scheint es, daß eine relativ niedrige Oberflächenspannung Koeffizienten (900 N / mm) und der Viskosität (0,00087 Pa · s) der geschmolzenen Al-Legierung den Oktett-Gerippe Gitterformhohlraum vollständig zu füllen, ermöglicht. Es wird empfohlen, für das Gießen von 3D-Netzwerk-Gitterstrukturen mit einer dünnen Wandstärke, um eine optimale Einlassgeschwindigkeit von geschmolzenem Metall zu finden, die plötzliche Änderung der Strömungsrichtung des geschmolzenen Metalls und die Wirkung der Oberflächenspannung in den Mikrokanal des zu überwinden Gitterstrukturformhohlraum.

Die Oberflächenspannungseffekt des geschmolzenen Metalls ist bekannt, bei einem dünnen Kanal, wo diese Gitter Hohlraumformgeometrie in dieser Studie dominant sein kann angewendet werden. Es kann möglich sein , eine Gitter Cu - Legierung mit einer dickeren Wandstärke und eine höhere Einspritzgeschwindigkeit des Schleuderguss herzustellen als ^28-29 in unserer früheren Arbeit demonstriert.

Direkte AM Methoden such als SLM und EBM haben für mögliche Herstellungsverfahren für leichte 3D-Gittermetalle in Betracht gezogen worden. Allerdings scheinen direkte AM Methoden bei der Auswahl der Materialien begrenzt werden. Zum Beispiel wird der Strom EBM - Technologie ³¹ bis Ti-6Al-4V und Inconel begrenzt. Trotz seiner umfangreichen Einsatz in der Luft- und Raumfahrt und Bio-Implantat-Anwendungen, beispielsweise Aluminium, hergestellt wird weder mit dieser Technologie. Theoretisch könnte es möglich sein, die direkte AM zu anderen Pulvermetallen durch eine enge Kontrolle der Prozessparameter zu erweitern. Jedoch praktisch hat sich die direkte AM berichtet Schwierigkeiten haben , in Einzelteilen mit Metallpulvern mit hoher optischer Reflexionsvermögen und hohe Wärmeleitfähigkeit Herstellung, z. B. Al. Darüber hinaus haben die Verdunstung und mögliche Explosion in der Baukammer für Aluminiumpulver ³¹ ausgegeben.

Die vorgeschlagene indirekten AM-Technik ist von Bedeutung, da diese mit Metallen Gitterstrukturen herzustellen ermöglicht, wodirekte AM Methoden erleben Schwierigkeiten, was mit der Gesamtfertigungskapazität von 3D-Gitter Metalle befähigen sowohl direkte als auch indirekte AMs durch den Bereich der Auswahl von Metallen erweitert. Zusätzlich Schleuderguß ein Schritt in dieser Studie ist bekannt, aufgrund der relativ gleichmäßige Verteilung der Metallschmelze in den Formhohlraum eine isotrope Eigenschaft von Metallteilen bereitzustellen. Dies kann die aktuelle Ausgabe der direkten Uhr auf Anisotropie lösen ^20-21 sowohl Schichtherstellung und anisotropen Bildung von Körnern verursacht.

Explo andere Metalle für indirekte AM zusammen mit Studien über die Wirkung von Prozessparametern auf Gittergeometrien auf unsere zukünftige Arbeit überlassen werden.

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.