Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Engineering

Непрямой изготовлении решетчатых металлов с шлифах с помощью центробежного литья

Published: May 14, 2016 doi: 10.3791/53605

Summary

Косвенный метод производства добавка комбинирования 3D-печать полимеров с помощью центробежного литья описано для изготовления стропильных металлов 3D октет (Al и Cu сплавов), имеющих длину элементарной ячейки 5 мм с толщиной стенки 0,5 мм.

Abstract

Одним из типичных методов с целью изготовления 3D решетки металлов является процесс (АМ) с прямым металла добавка для производства, такими как селективная лазерная плавлении (ОДС) и электронно-лучевой плавки (EBM). Несмотря на потенциальную возможность обработки, прямой метод AM имеет ряд недостатков, таких как высокая стоимость, плохой отделки поверхности готовой продукции, ограничения в выборе материалов, высокой тепловой стресс и анизотропных свойств частей. Мы предлагаем экономически эффективный метод для производства 3D решетки металлов. Цель данного исследования заключается в предоставлении подробного протокола по изготовлению 3D - решетки металлов , имеющих сложную форму и тонкую толщину стенки; например, байтовые ферменной из сплава Al и Cu с длиной элементарной ячейки 5 мм и толщину стенок клетки 0,5 мм. Общая экспериментальная процедура разделена на восемь разделов: (а) 3D печати жертвенных узоров (б) в расплавленном состоянии отказа от вспомогательных материалов (с) удаление остатков вспомогательных материалов (d) образец assemblу (е) инвестиции (е) выгорание жертвенных узоров (г) центробежное литье (ч) после обработки для конечных продуктов. Предложенный метод непрямой АМ обеспечивает потенциал для производства ультралегкий решетки металлов;. , Например, решетчатые конструкции с алюминиевых сплавов. Оказывается, что параметры процесса должны быть надлежащим образом регулировать в зависимости от материалов и геометрии решетки, соблюдая конечные продукты октет стропильных металлов непрямым методом AM.

Introduction

Клеточные металлы являются металлы, состоящие из взаимосвязанной сети твердых распорок или пластин и имеют сложные микроархитектурам с пустотами 1. Примеры включают в себя как I) случайным образом структурированные стохастические пенопластов и II) периодически упорядоченных двумерных (2D) сотов и трехмерные (3D решетчатые конструкции) решетки. Они получили внимание из - за их высокой удельной жесткости и прочности 1-3 и высокой удельной упругости 4-5, отличное поглощение энергии для ударной нагрузки 6, акустическая изоляция 7, возможно конструкции теплового рассеиватели и теплообменников 8. Тем более, периодически упорядоченные структуры решетки обладают потенциалом инженер свойствами, превосходящими свойства с возможностью контролировать внутреннюю геометрию пористой сети.

Из-за их сложной внутренней пористой геометрии сети, то трудно изготавливать клеточные металлов с использованием обычного отнимающий machininг. Как начали такие, ученые ищут альтернативные методы для изготовления клеточных металлов: формовочный газ в жидком металле или смешивание металлического порошка с пенообразователей были изучены для изготовления металлических форм стохастические 9. Из-за отсутствия контроля над топологией клеток, то трудно приспособить механические свойства. В качестве альтернативы, были исследованы способы получения периодически упорядоченных клеточных металлов: штамповка тонких листов металла в волнистую форму с последующим присоединения к ним , чтобы создать периодические структуры 10, склеивание с прорезями металлических листов 11, выдавливание 12, ткачества и сверкающие металлические нити для изготовления текстильных изделий 13. Даже если эти методы производства предлагают воспроизводимые модели, модели по-прежнему ограничены в направлении плоскости. В попытке генерировать 3D шаблон повторения, исследователи начали использовать аддитивное производство (AM), например, Selective Laser Melting (ОДС) 14, электронно - лучевой плавки (EBM) 16. Несмотря на их способность изготовить 3D упорядоченный комплекс решетки геометрий, все еще ​​существуют некоторые ограничения: трудности с использованием металлов с высокой теплопроводностью и высокой оптической отражательной способности 17, высокая тепловая остаточное напряжение 18, плохая отделка поверхности с "сальников" явления при взаимодействии лазерного излучения или электронного плавления 19, анизотропные свойства 20-21 частей , вызванных совместным действием наложенного производства, анизотропная формирования зерна, размера порошка, мощности и скорости сканирования лазерного или электронного пучка 15, высоким потреблением энергии и т.

Объединение полимера на основе АМ с литьем металла может обеспечить альтернативный способ изготовления решетки металлов. Можно назвать это "косвенную AM". Косвенное АМ может обеспечить решение для преодоления технических проблем прямой AM указанных выше металлов. Несколько попыток были маде для изготовления решетки металлов с помощью непрямого AM комбинируя 3D печать полимеров с силой тяжести на основе литья 22-25; например, литья по выплавляемым моделям в сочетании с моделирование методом наплавления (FDM) для изготовления решетки сплава 22-25 или песка литья в сочетании с порошком песка на основе АМ 23. Отливка на основе силы тяжести , как представляется , остается технический вызов для преодоления - misrun и пористость , вызванное внезапным отвердевания расплавленных металлов , когда они встречаются сетевые структуры с острыми углами решетки структурных форм 25-26. Относительно большая площадь поверхности решетки структурных форм также , как представляется , способствуют внезапного охлаждения, что приводит к преждевременному отвердевания 25-26.

В данном исследовании мы предлагаем альтернативный косвенную AM, который может преодолеть misrun при изготовлении решетки металлов - центробежное литье в полость пресс-формы решетки, сделанного 3D напечатаны решетки жертвенного рисунка полимера. Мы используем цифровыелегкая обработка (DLP) на основе метода 3D-печать для создания решетки структурной жертвенный узор с последующим центробежным литьем из алюминиевых сплавов и меди. Цель данного исследования заключается в предоставлении подробного протокола по изготовлению 3D-металлов решетки, имеющих сложную форму, и тонкую толщину стенки. Основной вклад этого процесса является предоставить возможность расширить выбор материалов с низкой стоимостью производства для изготовления решетки металлов.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Планирование эксперимента

  1. Нарисуйте жертвенный паттерн (октет ферменной структуры с литниковой системы) с помощью системы автоматизированного проектирования программного обеспечения (САПР) , как показано на рисунке 1 и сохранить модель CAD как формат файла STL.
    Примечание: Жертвенный модель представляет собой интегрированную модель структуры ферменной октета с литниковой системы, которая будет в конечном счете растопленного для литья. Так как расходуемый шаблон включает в себя как структуру ферменной октет и литниковой системы, она не точно представляют сам октет бандаж. STL файл расходуемого шаблона предусмотрен. Регистрируют объем расходуемого шаблона на базе программного обеспечения САПР, которая будет использоваться для расчета массы металлы.
  2. Откройте чертеж САПР жертвенного рисунка на печатной программного обеспечения 3D, подключенного к 3D-принтер для печати шаблона.
  3. Убедитесь в том, что 3D-принтер имеет достаточно УФ-отверждаемый / литьевой акриловый пластик и опорный материал, изготовленный из воскав картриджи для принтеров.

2. Изготовление Жертвенный Pattern

  1. Производство жертвенный узор , состоящий из структуры октет стропильной и литниковой системы с использованием 3D - принтер (Рисунок 2A - C).
    Примечание: Процессы в 2.1.3 - 2.1.7 не требуется, если используется 3D-принтер, который не создает вспомогательных материалов.
    1. Отправить файл STL расходуемого шаблона на 3D - принтер для печати жертвенный шаблон (рис 2A).
    2. Плавиться материал носителя расходуемого шаблона в печи при температуре выше температуры плавления материала носителя (60 - 70 С) в течение 2 часов (Фигура 2В).
      Примечание: Температура для удаления материала подложки не должна быть слишком высокой. В противном случае, это может привести к повреждению расходуемого шаблона. Жертвенный картина начинает получать повреждения около 80 ° С в данном исследовании.
      Примечание: Температура плавления Supporт материалов зависит от 3D-принтеров, в которых могут быть использованы различные вспомогательные материалы.
    3. Заполните цифровой ультразвуковой очистки с детского масла до 2,5 л, максимальный объем , что пылесос может содержать (рисунок 2С).
      Примечание: Было рекомендовано поставщиком 3D-принтера, чтобы использовать детское масло для растворения остатков материала носителя воскоподобным.
    4. Поместите образец жертвенного в цифровой ультразвуковой очистки и включите питание пылесоса (рис 2C). Убедитесь, что жертвенный образец полностью погружен в масло.
    5. Удалите остатки материала подложки путем погружения жертвенный образец в масло при температуре 65 ° С в течение 40 мин (фиг.2с).
    6. Вынуть жертвенный шаблон из пылесоса, если материал носителя полностью удаляется.
    7. Иметь жертвенный шаблон сухой с вентилятором при комнатной температуре (~ 20 ° С ) (рис 2C).
      Примечание: Это занимает около 2 чпока масло на поверхности расходуемого шаблона не будет полностью высушен. Рассмотрим жертвенный шаблон, чтобы быть полностью сушат, если поверхность не является липким.

3. Изготовление пресс-формы

  1. Pattern Ассамблея
    1. Приложить резиновую прокладку на жертвенном узор (октет стропильной с литниковой системы) и поместите их в нижней части цилиндрической формы колбы с высотой 6,35 см и диаметром 6,35 см (рис 2D).
      Примечание: Подготовьте две фляги для отливки каждого металла; Al и Cu сплавов.
    2. Дважды проверьте резиновую прокладку с жертвенного рисунком полностью прикреплен к нижней части колбы.
    3. Оберните колбу с клейкой лентой так, что инвестиции с порошковым смесь воды, которой процедура будет описана в следующем разделе, не может вытекать из колбы.
  2. Подготовка инвестиционных Mold
    1. Подготовить инвестиционный порошок (CaSO 4 3) 89 г, что 87.16 мл. Используйте шкалу для взвешивания инвестиционного порошка.
      Примечание: Физические свойства инвестиционного порошка приведены в таблице 1.
    2. Налейте инвестиционный порошок в миску для смешивания (1 л).
    3. Налейте воду (114 мл) в миске. Используйте мензурку для измерения объема воды.
    4. Смешайте инвестиционный порошок с водой в миске в течение 3 мин. Хорошо перемешайте, пока нет никаких глыб в смеси инвестиций с порошковым воды. В противном случае, это может привести к ухудшению качества поверхности формы инвестиций. Следить за работой потока, как показано на рисунке 3.
    5. Для того , чтобы удалить пузырьки воздуха в смеси, поместите чашу в вакуумной камере в течение 90 сек , пока пузырьки воздуха не могут быть замечены в смеси с голыми глазами (рисунок 3).
    6. Вылейте смесь в колбу вложении жертвенный рисунок и резиновую прокладку (рис 2E).
    7. Поместите FLASK в вакуумной камере снова в течение 90 секунд , чтобы удалить остатки пузырьков воздуха внутри смеси (рисунок 3).
    8. Сушат смесь в колбе до тех пор, пока не затвердел при комнатной температуре (рис 3).
      Примечание: Как правило, это занимает около 10 - 15 мин, чтобы смесь не ожесточился при комнатной температуре.
    9. Выньте колбу и резиновую прокладку в нижней части смеси в колбе после того , как смесь затвердевает (рисунок 3). Этот продукт можно назвать гипсовую форму.
  3. Выгореть
    1. Настройка времени выгорания в печи в то время как после нагрева и охлаждения графика (рисунок 4) теплопроизводительностью от 23 до 150 ° С со скоростью 2,1 ° С / мин; От 150 до 370 С при 3,7 ° С / мин; 370 до 480 С при 1,85 ° С / мин; 480 до 730 С при 4,17 ° С / мин; 730 ° С в течение 1 ч; охлаждения от 730 до 480 С при -4.17 ° С / мин.
      Примечание: Время для выгорания варх годов с размером колбы. В этом исследовании, установить время выгорания до 6 ч.
    2. Поместите гипсовую форму в печи (рис 2F).
    3. Включите печь и повышают температуру в печи для удаления жертвенного узор внутри гипсовую форму. Следуйте температурный режим на рисунке 4.
      Примечание: Так как УФ-отверждаемый / литьевого акрилового пластика, материалы расходуемого шаблона, представляет собой термореактивный полимер на акриловой пластмассы, она не течет, но диссоциирует на газовую фазу в печи.
  4. Центробежного литья (рис 2G)
    1. Убедитесь, что рычаг центробежного литья машины вращается с угловой скоростью 425 оборотов в минуту с помощью тахометра после включения питания центробежного литья.
    2. Приготовьте два керамических тиглей, который может содержать 150 г сплава для плавления. Используйте отдельные тигли для алюминиевых сплавов и меди, чтобы держать их от загрязнения с еACH другой.
    3. Включите питание на МНЛЗ центробежной.
    4. С помощью металлического ножа, нарезать на куски сплавов с 10 - 20 мм в длину. Готовят их достаточно, чтобы полностью заполнить полость пресс-формы, объем которой должен быть таким же, как жертвенного рисунком.
      Примечание: Масса металлов, необходимых для заполнения и тот же объем полости формы изменяется с учетом различной плотности для каждого металла.
    5. Носите огнезащитным составом ткани и перчатки и очки. Приготовьте ведро воды (30 л) при комнатной температуре.
    6. Возьмите гипсовую форму временно из печи в разделе 3.3, установите его в колбе колыбели и уравновешивают руку машины центробежного литья (рисунок 5).
    7. Поместите гипсовую форму обратно в печи и предварительного нагрева до 482 ° C перед заливкой.
    8. Поместите тигель в тигле держателя (рисунок 5).
    9. Положите нарезанную сплав в тигель.
    10. Откройте клапан кислородноБак соединен с кислородом ацетиленовой горелки и поддерживать уровень давления в баке 96,5 кПа (14 фунтов на квадратный дюйм).
    11. Зажигают кислородом ацетиленовой горелки с помощью зажигалки и контролировать интенсивность пламени путем регулировки смеси газов.
      Примечание: необходимо соблюдать осторожность при использовании кислорода ацетиленовой горелки. Его максимальная температура факела составляет около 1200 ° С.
    12. Растопить нарезанного сплав (Al сплав или Cu сплав) с факелом в тигле, пока сплав не полностью переходит в жидкое состояние.
    13. Перемешать сплава в тигле с угольным стержнем до тех пор, пока расколотый сплав полностью расплавится.
    14. Поместите гипсовую форму в колбе колыбели назад рядом с тигель , содержащий расплавленный сплав (рисунок 5).
    15. Закройте крышку литейной машины центробежного, пусть центробежную руки вращаться и подождать по крайней мере, в течение 3 мин.
      Примечание: центробежное литье машина начинает работать, как только крышка литейной машины закрыта. Центробежный рукавращается со скоростью 425 оборотов в минуту , что соответствует скорости на входе в полость пресс - формы расходуемого шаблона, V г = 8,03 м / сек 28, 29 на фигуре 5 , где впуск-скорость вычисляется с использованием динамики макрочастицы из угловой скорость центробежного литья рука 28, 29.
    16. Выключите питание литейной машины центробежной после 3 мин поворота рычага в.
    17. Откройте крышку литейной машины.
    18. Возьмите гипсовую форму из колбы люльки с помощью щипчиков.
    19. Хранить форму при комнатной температуре в течение 15 - 20 мин, пока цвет расплавленного сплава не поворачивается к его исходному в твердой фазе.
    20. Используя щипцы, утолить гипсовую форму в воде помещают в ведро (30 л) при комнатной температуре в течение примерно 5 мин. Убедитесь, что температура гипсовую форму близка к комнатной температуре после закалки.
    21. Для того чтобы получить решетку металла внутри пресс-формы, растворитеплесени в воде. Пресс-форма из гипса легко растворяется в воде.

4. Постобработка для конечных продуктов октета TRUSS металлов

  1. Включите власть в пескоструйного.
  2. Поместите октет стропильных металлов на платформе внутри пескоструйного и закройте дверцу машины.
  3. Наденьте перчатки и захватить Sandblaster пистолет.
  4. Возьмите литниковую часть металлического изделия и выдуть остаточную штукатурку из решетки металла с пескоструйного в течение 2 часов.
    Примечание: Интенсивность пескоструйного автоматически фиксируется примерно при 550 кПа. После того, как Sandblaster работает, то воздух выходит автоматически из пистолета.
  5. Держите Sandblaster работает до тех пор, остаток инвестиции штукатурки внутри октет стропильной металла не полностью удаляется при проверке невооруженным глазом.
    Примечание: Существует не микроскопический критерий при снятии гипсовой остатка. Это выходит за рамки данного исследования. Tон удаление остатков штукатурки легко определяется невооруженным глазом. Поскольку октет ферма является открытой структурой ячеек, можно распознать и проверить, действительно ли полностью удаляется остаток штукатурки.
    Примечание: необходимо соблюдать осторожность для пескоструйного аппарата, чтобы не повредить октет ферменной металла с тонкой толщиной стенки (0,5 мм) при высоком давлении (550 кПа).
  6. Если остаток инвестиций штукатурки внутри октет стропильной металла не полностью удалены с пескоструйного, использовать дополнительные методы пост - обработки, например, ультразвуковой очистки или оставляя продукт в воде в течение дня.
  7. В случае использования ультразвуковой очистки, залейте 0,7 л воды в ультразвуковой очистки и поместить октет ферменной металл с гипсовым остатком в ультразвуковом очистителе.
    1. Включите питание ультразвукового очистителя.
    2. Установить рабочее состояние, например: 3 часа при 70 ° С.
    3. Возьмите октет ферменной металла из ультразвукового очистителя когда-йоперация заканчивается е.
    4. не Сушат октет ферменной металла при комнатной температуре, пока вода на поверхности металла полностью удаляется.
  8. В качестве альтернативного способа последующей обработки, оставьте октет ферменной металла в воде. Это приводит к тому, остаток гипсовую растворяться в воде.
    1. Поместите октет ферменной металла с остатками штукатурки в воде и оставить его на один день, так что сила связи между инвестиционной штукатуркой и металлической поверхности становится ослабление в воде.
    2. Возьмите октет ферменной металла из воды.
    3. не Сушат октет ферменной металла при комнатной температуре, пока вода на поверхности металла полностью удаляется.
  9. С помощью пилы или других соответствующих инструментов, вырезать металл заполнил полость литниковой системы частично из металлического изделия и получить конечный октет ферменной металла с размером 25 мм х 25 мм х 25 мм, как показано на фигуре 1В.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Использование производства косвенную присадок , описанных в разделе протокола, сплавы Al и Cu были использованы для изготовления октет стропильных металлов, как показано на рисунке 1 Процедура вся отливка приводится на рисунке 2 Процедура состоит из восьми разделов:.. (А) жертвенный печать шаблона (б) плавления из материала подложки (с) удаление остатков материала носителя (г) блока моделей (е) инвестиций (ж) выгорание жертвенных узоров (г) центробежное литье, и (h) пост- обработка. Инвестиционный процесс смешивания проводили для того , чтобы убедиться в том , что не было никаких комочков в смеси инвестиционного воды, как показано на рисунке 3. Процесс прогар проводили в течение 6 ч , чтобы расплавить из жертвенного рисунка , как показано на рисунке 4, а затем центробежного литья процесса (рисунок 2G и рисунок 5). Рисунок 6показывает конечные продукты октет стропильных металлов с алюминиевых сплавов и меди. Это показывает, что расплавленный сплав Al полностью заполняет всю полость пресс-формы решетки без misrun. С другой стороны, расплавленная медь сплав по-видимому, имеют дефект литья с преждевременным затвердеванием на ранней стадии инжекции расплавленного металла на входе.

Рисунок 1
Рисунок 1. Схема октета Truss структуры с литниковой системы. На рисунке 1 показана схема жертвенного рисунка структуры октет стропильной с литниковой системы , используемой в данном исследовании. Система спру состоит из листа толщиной 1 мм, шириной 25 мм и колонной, имеющей высотой 10 мм и 6 мм в диаметре. Система литник может быть изменен с помощью программного обеспечения САПР, при необходимости, для конструкции лучшей текучестью жидкого металла. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

фигура 2
Рисунок 2. Обзор косвенному AM с центробежными процедуры чтения: (A) печать шаблона (B) в расплаве отказа от материала носителя (C) удаления остатков материала носителя (D) модель в сборе (E) инвестиции (F) горят отъезда жертвенного рисунка (G) центробежного литья, и (H) последующей обработки. Эта цифра показывает всю процедуру по фабрикации октет стропильных металлов с использованием косвенного AM с центробежным литьем. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

е 3 "SRC =" / файлы / ftp_upload / 53605 / 53605fig3.jpg "/>
Рисунок 3. График работы по подготовке гипсовые формы. На рисунке 3 показано получение гипсовой формы и процедуры твердеть его в колбу. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 4
Рисунок 4. выгорание Расписание жертвенных Pattern Внутри гипсовые формы. На рисунке 4 показан процесс выгорания жертвенного рисунка внутри затвердевшей смеси. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

d / 53605 / 53605fig5.jpg "/>
. Рисунок 5. Схема центробежного литья машина центробежного литья Машина состоит из восьми компонентов: главный вал, основание, литье руки, весы, колбы люлькой, колбы люлькой , взявшись за руки, тигель держатель, и тигель холдинг оружия. Рука корпус сбалансирован с перемещением веса вдоль руки литья. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 6
Рисунок 6. Конечный продукт октета TRUSS металлов: октета решетчатые конструкции с (А) Al и сплавов (B) Cu. Это показывает довольно высокую степень завершения на октет стропильной Al сплава. С другой стороны, плохая степень завершенности наблюдается с октет стропильной Cu сплава.Файлы / ftp_upload / 53605 / 53605fig6large.jpg "целевых =" _blank "> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Имущество Значение [единица измерения]
Плотность при 20 ° C 1019 [кг / м ^ 3]
Теплопроводность при 20 ° C 0,47 [Вт / (м * К)]
Коэффициент теплового расширения при 20 ° C 7.22E-6 [/ ° C]
неровность 2.72E-6 [м]

Таблица 1. Свойства инвестиционного порошка. В данной таблице приведены физические свойства инвестиционного порошка , используемого в данном исследовании.

40 мл воды в 100 г порошка
диаметр Колба Высота
5,08 см 6,35 см 7,62 см 8,89 см 10,16 см 12,7 см 15,24 см
6,35 см 226.8 г 91 мл 283,5 г 114 мл 340,19 г 136 мл 396,89 г 160 мл 453,59 г 183 мл 566,99 г 228 мл
(Верхняя цифра - Инвестиционный порошок (г), Нижняя цифра - Вода (мл))
Примечание: В данном исследовании Колба с высотой 6,35 см и диаметром 6,35 см используется.

Таблица 2. Смешивание Условия инвестиционного порошка с водой для варьированияКолба Размер: Эта таблица показывает смесительных условия инвестиционного порошка и воды для различного размера колбы , рекомендованной производителем. В данном исследовании используется колба с высотой 6,35 см и диаметром 6,35 см.

(А) Химический состав Al сплава
материал Ед. изм
Алюминиевый сплав Химический состав
Al Cr
Мин Макс. > 99 <0,05
(Б) Физические свойства сплава Al
Имущество Ед. изм
температура ликвидуса 660 ° C
660 ° C
плотность 2340 [кг / м ^ 3] @ 850 ° C
Удельная теплоемкость 1090 Дж / кг ∙ ° C
Теплопроводность 0,9428 [Вт / (см * ° С)] @ 850 ° C
вязкость 0.00087 [Па ∙ с] @ 850 ° C
Коэффициент поверхностного натяжения 900 [Н / мм]

. Таблица 3 Химический состав и физические свойства сплава Al 30: (а) Химический состав Al сплава и (б) Физические свойства Al сплава.

(А) Химический состав Cu сплава
материал Ед. изм
Медный сплав (ювелирные изделия бронзы) Химический состав (% Макс, если это не показано, как диапазон среднего)
Cu си Zn Mg Pb
Мин Макс. 91,9 4 4 0,25 Макс 0,25 Макс
(Б) Физические свойства Cu сплава
Имущество Ед. изм
температура ликвидуса 1035 ° C
температура солидуса +1005 ° C
плотность 7,200 [кг / м ^ 3] @ 1200 ° C Удельная теплоемкость 380 Дж / кг ∙ ° C
Теплопроводность 1,44 [Вт / (см * ℃)] @ 1200 ° C
вязкость 0,0038 [Па ∙ с] @ 1200 ° C
Коэффициент поверхностного натяжения 1500 [Н / мм]

. Таблица 4 Химический состав и физические свойства Cu сплава 30: (а) Химический состав Cu сплава , и (б) Физические свойства Cu сплава.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Для обычного литья металла, важно , чтобы держать поток в расплавленный металл гладкий и обтекаемый в "ламинарного" в полости пресс - формы , а скорее избегать нерегулярные и возбужденный поток обычно наблюдается в турбулентном потоке 27. Соответственно, важно правильно спроектировать впуск литниковой системы, связанной с скоростью вращения центробежного рычага для поддержания потока расплавленного металла внутри полости пресс-формы решетки "ламинарного".

В этом исследовании, критические этапы протокола являются смешение инвестиционного порошка с водой, выжигание рисунка жертвенной, и процесс центробежного литья. Процесс инвестиционного порошка смешивания с водой имеет важное значение, так как качество гипсовую форму в основном контролируется с помощью этого процесса, в дальнейшем влияющие на степень завершенности конечных продуктов октет стропильных металлов. Например, если смесь инвестиционно-вода слишком грубая поверхность roughnESS становится высокой, что приводит к плохой обработки поверхности готовой продукции. Прогар процесс расходуемого шаблона также имеет важное значение для определения качества готовой продукции, так как остаток расходуемого шаблона вызывает дефект литья, таких как проникновение misrun или металла, если жертвенным картина не полностью опустошен. Последний шаг ключ является центробежный процесс литья. Правильная установка для литья требуется, чтобы полностью заполнить жидкий металл в полость пресс-формы инвестиций со сложной формы сетевой структуры октет фермы.

Как можно видеть на рисунке 6, при тех же самых условиях обработки, например., Впуск скорость, температура на входе расплавленного металла, температура предварительного нагрева пресс - формы, Cu сплав показывает преждевременному отверждению в полости решетки пресс - формы с толщиной стенки 0,5 мм (рисунок 6 (б)). Считается, что это быть вызвано высоким поверхностным натяжением (1500 Н / мм) и высокой вязкостью (0.00038 Па · с) изCu сплав через микро-канал в полости пресс-формы решетки. С другой стороны, оказалось, что коэффициент относительно низкое поверхностное натяжение (900 Н / мм) и вязкость (0,00087 Па · с) расплавленного Al сплава позволяет ему полностью заполнить октет ферменной полость пресс-формы решетки. Рекомендуется, чтобы найти оптимальную впускную скорость расплавленного металла для отливки 3D сетевых решетчатые конструкции с тонкой толщиной стенки для того, чтобы преодолеть внезапное изменение потока направлении расплавленного металла и эффект поверхностного натяжения в микро-канале решетки структурной полости формы.

Поверхностное натяжение эффект расплавленного металла, как известно, доминирующим на тонком канале, где может быть применена эта решетка геометрии полости пресс-формы в этом исследовании. Может быть , можно изготовить решетку Cu сплав с более толстой толщиной стенки и более высокой скорости инжекции центробежного литья , как показано в нашей предыдущей работе 28-29.

Прямая AM методы SUCч, как SLM и EBM были рассмотрены возможные методы изготовления для легких металлов 3D решетки. Тем не менее, прямые методы АМ по всей видимости, ограничены в выборе материалов. Например, современная технология ЕВМ ограничивается Ti-6Al-4V и Инконель 31. Несмотря на широкое применение в аэрокосмической и био-имплантатов приложений, алюминия, например, не производится с использованием этой технологии. Теоретически, это может быть возможно продлить прямой AM к другим порошковых металлов путем тщательного контроля параметров процесса. Тем не менее, практически, прямой AM, как сообщается, испытывают трудности при изготовлении деталей с металлическими порошками с высокой оптической отражательной способности и высокой теплопроводностью . , Например, Al. Кроме того, испарение и возможный взрыв внутри камеры формирования были выпущены для алюминиевого порошка 31.

Предлагаемый метод непрямой AM имеет большое значение, так как это позволяет изготавливать решетки структуры с металлами гдепрямые методы AM испытывают трудности, в результате расширения возможностей в целом возможностей изготовления 3D металлов решетки с прямым и косвенным AMs за счет расширения диапазона выделения металлов. Кроме того, центробежное литье, шаг в этом исследовании, как известно, обеспечивает изотропный свойство металлических деталей из-за относительно равномерное распространение расплавленного металла в полость литейной формы. Это может решить текущие проблемы , прямой AM на анизотропии , вызванной как многоуровневого производства и анизотропной образования зерен 20-21.

Изучение других металлов для непрямого AM вместе с исследованиями о влиянии параметров процесса на решетки геометрии останется нашей будущей работы.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

Это исследование получило поддержку от Исследовательского Initiation Гранта (РИГ) Вице-президент по исследованиям и экономического развития в Университете Северного Техаса (ЕНТ). Авторы также благодарят КЦМР Co. Ltd за частично поддержку этого исследования. Поддержка со стороны PACCAR технологического института в ЕНТ для успеха этой публикации очень ценится.

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.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Gibson, L. J., Ashby, M. F. Cellular Solids-Structure and properties. , Cambridge University Press. Cambridge, UK. (1997).
  2. Schaedler, T. A., et al. Ultralight Metallic Microlattices. J. Science. 334 (6058), 962-965 (2011).
  3. Zheng, X., et al. Ultrastiff Mechanical Metamaterials. J. Science. 334 (6190), 1373-1377 (2014).
  4. Ju, J., Summers, J. D., Ziegert, J., Fadel, G. Design of Honeycombs for Modulus and Yield Strain in Shear. J. Eng. Mater. & Technol. 134 (1), 11-22 (2012).
  5. Lee, J., Kim, K., Ju, J., Kim, D. M. Compliant Cellular Materials with Elliptical Holes: Materials Design with Mechanisms. Transactions of the ASME: Eng. Maters. & Technol. 131 (1), 1-14 (2015).
  6. Tan, H., Qu, S. Chap 6: Impact of Cellular Materials. Cellular and Porous Materials in Structures and Processes. , CISM International Centre for Mechanical Science, Springer. (2010).
  7. Phani, A. S., Woodhouse, J., Fleck, N. A. Wave Propagation in Two-Dimensional Periodic Lattices. Acoust. Soc. A. 119 (4), 1995-2005 (2006).
  8. Kumar, R. S., McDowell, D. L. Rapid Preliminary Design of Rectangular Linear Cellular Alloys for Maximum Heat Transfer. AIAA. 42 (8), 1652-1661 (2004).
  9. Banhart, J., Weaire, D. On the Road Again: Metal Foams Find Favor. Physics Today. 55 (7), 37-42 (2002).
  10. Wadley, H. N. G., Fleck, N. A., Evans, A. Fabrication and Structural Performance of Periodic Cellular Metal Sandwich Structures. Comp. Sci. and Technol. 63, 2331-2343 (2003).
  11. Mori, L. F., et al. Deformation and Fracture Modes of Sandwich Structures Subjected to Underwater Impulsive Loads. Mech. of Mater. & Struct. 2 (10), 1981-2006 (2007).
  12. Queheillalt, D. T., Murty, Y., Wadley, H. N. G. Mechanical Properties of an Extruded Pyramidal Lattice Truss Sandwich Structure. Scripta Materialia. 58 (1), 76-79 (2008).
  13. Queheillalt, D. T., Desphande, V. S., Wadley, H. N. G. Truss Waviness Effects in Cellular Lattice Structures. Mech. of Mater. & Struct. 2 (9), 1657-1675 (2007).
  14. Mullen, L., Stamp, R. C., Brooks, W. K., Jones, E., Sutcliffe, C. J. Selective Laser Melting: A Regular Unit Cell Approach for the Manufacture of Porous, Titanium, Bone In-Growth Constructs, Suitable for Orthopedic Applications. Biomed. Mater. Res. Part B: Appl. Biomaterials. 89, 325-334 (2009).
  15. Murr, L. E., et al. Next-Generation Biomedical Implants using Additive Manufacturing of Complex, Cellular and Functional Mesh Arrays. Phil. Trans. R. Soc. A. 368, 1999-2032 (2011).
  16. Murali, K., et al. Direct Selective Laser Sintering of Iron-Graphite Powder Mixture. Mater. Proc. Technol. 136, 179-185 (2003).
  17. Lott, P., et al. Design of an Optical System for the In-Situ Process Monitoring of Selective Laser Melting (SLM). Ph. P. 12, 683-690 (2011).
  18. Song, B., Dong, S., Liu, Q., Liao, H., Coddet, C. Vacuum Heat Treatment of Iron Parts Produced by Selective Laser Melting: Microstructure, Residual Stress, and Tensile Behavior. Mater. Design. 54, 727-733 (2014).
  19. Yadroitsev, I., Smurov, I. Surface Morphology in Selective Laser Melting of Metal Powders. Ph. P. 12, 264-270 (2011).
  20. Antonysamy, A. A., Meyer, J., Prangnell, P. B. Effect of Build Geometry on the β-grain Structure and Texture in Additive Manufacture of Ti-6Al-4V by Selective Election Beam Melting. J. of Mat. Charact. 84, 153-168 (2013).
  21. Ladani, L. Local and Global Mechanical Behavior and Microstructure of Ti6Al4V Parts Built Using Electron Beam Melting Technology. J. of Metalllur. & Mater. Trans. 46, (2015).
  22. Chiras, S., et al. The Structural Performance of Near-Optimized Truss Core Panels. Solids Struct. 39, 4093-4115 (2002).
  23. Meisel, N. A., Williams, C. B., Druschitz, A. Lightweight Metal Celluar Structures via in Direct 3D Printing and Casting. Proceedings of the 24th Solid Freeform Fabrication Symposium. , Austin, TX. (2013).
  24. Mun, J., Ju, J., Yun, B. -G., Chang, B. -M., Kim, D. -M. A Numerical Study of Molten Aluminum for Investment Casting of 3D Cellular Metals. Proceedings of the ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition. , San Diego, CA. IMECE2013-62847 (2013).
  25. Mun, J., Yun, B. -G., Ju, J., Chang, B. -M. Indirect Additive Manufacturing Based Casting of a Periodic 3D Cellular Metal - Flow Simulation of Molten Aluminum Alloy. Manufact. Process. 17, 28-40 (2015).
  26. Challapalli, A., Ju, J. Continuum Model for Effective Properties of Orthotropic Octet-Truss Lattice Materials. Proceedings of the ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition. , Montreal, Canada. IMECE2014-38925 (2014).
  27. Taylor, H. F., Flemings, M. C., Wulff, J. Foundry Engineering. , John Wiley. (1959).
  28. Mun, J., Ju, J., Thurman, J. Indirect Additive Manufacturing Based Casting (I AM Casting) of a Lattice Structure. Proceedings of the ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition. , Montreal, Canada. IMECE2014-38055 (2014).
  29. Mun, J., Ju, J., Thurman, J. Indirect Additive Manufacturing of a Copper Alloy Cubic Lattice Structure. Proceedings of the 25th Annual International Solid Freeform Fabrication Symposium. , Austin, TX. SFFS2014-55 (2014).
  30. Volume 2 Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Pure Metals. Metals Handbook Ninth Edition. , American Society for Metals. Metals Park, Ohio. (1979).
  31. Romano, J., Ladani, L., Razmi, J., Sadowski, M. Temperature Distribution and Melt Geometry in Laser and Electron-beam Melting Processes - A Comparison Among Common Materials. J. of Additive Manuf. 8, 1-11 (2015).

Tags

Машиностроение выпуск 111 добавка для производства быстрое литье решетки металлов ячеистые материалы центробежное литье
Непрямой изготовлении решетчатых металлов с шлифах с помощью центробежного литья
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Mun, J., Ju, J., Thurman, J.More

Mun, J., Ju, J., Thurman, J. Indirect Fabrication of Lattice Metals with Thin Sections Using Centrifugal Casting. J. Vis. Exp. (111), e53605, doi:10.3791/53605 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter