Summary
Un método de fabricación de aditivos indirecta la combinación de una impresión en 3D de polímeros con una fundición centrífuga se describe para la fabricación de metales para entramados de octetos 3D (Al y Cu aleaciones) con una longitud de celda unitaria de 5 mm con un espesor de pared de 0,5 mm.
Abstract
Uno de los métodos típicos para la fabricación de metales de celosía en 3D es el proceso directo de metal fabricación aditiva (AM) como fusión selectiva por láser (SLM) y el haz de electrones de fusión (MBE). A pesar de su capacidad de procesamiento potencial, el método AM directo tiene varias desventajas tales como el alto costo, pobre acabado superficial de los productos finales, limitación en la selección de materiales, de alta tensión térmica, y las propiedades anisotrópicas de piezas. Proponemos un método rentable para la fabricación de metales de celosía en 3D. El objetivo de este estudio es proporcionar un protocolo detallado en la fabricación de metales de celosía en 3D que tienen una forma compleja y un espesor de pared delgada, por ejemplo, braguero octeto hechos de aleaciones de Al y Cu con una longitud de celda unitaria de 5 mm y un espesor de pared de la célula de 0,5 mm. Un procedimiento experimental general se divide en ocho secciones: (a) la impresión en 3D de los patrones de sacrificio (b) por fusión de materiales de apoyo (c) la eliminación de los residuos de materiales de apoyo (d) assembl de patróny (e) la inversión (f) agotamiento de los patrones de sacrificio (g) de fundición centrífuga (h) después de la transformación de los productos finales. La técnica indirecta AM sugerido proporciona el potencial para la fabricación de metales de celosía ultra-ligeros;. Por ejemplo, estructuras de celosía con aleaciones de Al. Parece ser que los parámetros de proceso deben ser controlados adecuadamente dependiendo de los materiales y la geometría del enrejado, la observación de los productos finales de metales octeto de celosía por la técnica de AM indirecta.
Introduction
Metales celulares son los metales formados por una red interconectada de puntales sólidos o placas complejas y tienen micro-arquitecturas con huecos 1. Los ejemplos incluyen tanto i) espumas estructuradas estocásticos azar y ii) ordenados periódicamente) panales de dos dimensiones (2D y (estructuras de celosía tridimensional 3D) de celosía. Ellos han recibido atención debido a su alta rigidez específica y la fuerza 1-3 y alta resistencia específica de 4-5, una excelente absorción de energía para la carga de impacto 6, aislamiento acústico 7, posible diseño de disipadores de calor e intercambiadores de calor 8. Especialmente, estructuras de celosía ordenados periódicamente tienen el potencial para diseñar las propiedades superiores con una capacidad para controlar la geometría de la red porosa interna.
Debido a su geometría de la red porosa interna compleja, es difícil para la fabricación de metales celulares usando el machinin sustractivo convencionalgramo. Como tal, los investigadores han empezado a buscar métodos alternativos para fabricar metales celulares: gas de formación en el metal líquido o mezcla de polvo de metal con agentes de expansión fueron exploradas para la fabricación de formas de metal estocásticos 9. Debido a la falta de control sobre la topología de la célula, es difícil de adaptar las propiedades mecánicas. Como alternativa, se exploraron métodos de fabricación de metales celulares ordenados periódicamente: estampado de hojas delgadas de metal en una forma ondulada seguido de unirse a ellos para crear estructuras periódicas 10, la unión ranurada chapas metálicas 11, extrusión 12, el tejido y resplandecientes filamentos de metal para fabricar textiles 13. A pesar de que estos métodos de fabricación ofrecen patrones repetibles, los patrones son todavía limitados en la dirección planar. En un esfuerzo para generar la repetición patrón 3D, los investigadores empezaron a utilizar la fabricación aditiva (AM); por ejemplo, fusión selectiva por láser (SLM) 14, haz de electrones de fusión (MBE)
La combinación de AM a base de polímero con la fundición de metal puede proporcionar un método alternativo para la fabricación de metales de celosía. Uno puede llamar a este "AM indirecta". Indirecta AM puede proporcionar una solución para superar los problemas técnicos de AM directa de los metales mencionados anteriormente. Varios esfuerzos han sido made metales para la fabricación de celosía utilizando indirecta Estoy combinando la impresión en 3D de polímeros con la fundición por gravedad basado 22-25; por ejemplo, un bastidor de inversión combinada con el modelado por deposición fundida (FDM) para fabricar una aleación de celosía 22-25 o arena de fundición combinada con un polvo de arena basado AM 23. El casting basado gravedad parece seguir siendo un desafío técnico para superar - misrun y la porosidad causada por la solidificación repentina de metales fundidos, cuando se reúnan las estructuras de red con esquinas puntiagudas de los moldes estructurales de celosía 25-26. Área superficial relativamente grande de moldes estructurales de celosía también parece contribuir a un enfriamiento brusco, lo que resulta en la solidificación prematura 25-26.
En este estudio, se propone un AM indirecta alternativa que puede superar la misrun durante la fabricación de los metales de celosía - fundición centrífuga a una cavidad de molde de celosía hecha por un patrón de polímero sacrificial celosía 3D impreso. Utilizamos una cámara digitalLight Processing (DLP) método de impresión en 3D basado construir un modelo estructural de sacrificio celosía seguido de fundición centrífuga de aleaciones de Al y Cu. El objetivo de este estudio es proporcionar un protocolo detallado en la fabricación de metales de celosía en 3D que tienen una forma compleja y un espesor de pared delgada. La principal contribución de este proceso es proporcionar una oportunidad para extender la selección de materiales con bajo coste de fabricación para la fabricación de metales de celosía.
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Protocol
1. Planificación del Experimento
- Dibujar un patrón de sacrificio (una estructura de celosía octeto con un sistema de bebedero) utilizando software de diseño asistido por ordenador (CAD) como se muestra en la Figura 1 y guardar el modelo CAD como un formato de archivo STL.
Nota: El patrón de sacrificio es un patrón integrado de la estructura de celosía octeto con un sistema de bebedero que serán finalmente se fundió para la fundición. Debido a que el patrón de sacrificio incluye tanto la estructura de armadura octeto y el sistema de bebedero, que no representa exactamente la propia armadura octeto. Se proporciona un archivo STL del patrón de sacrificio. Registrar el volumen del patrón de sacrificio proporcionada por software CAD, que se utilizará para calcular la masa metales. - Abra el dibujo CAD del patrón de sacrificio en el software de impresión 3D conectado a una impresora 3D para imprimir el patrón.
- Asegúrese de que la impresora 3D tiene suficiente UV curables plástico / moldeable acrílico y un material de soporte hecha de una ceraen los cartuchos de impresora.
2. La fabricación de patrón de sacrificio
- Fabricación el patrón de sacrificio que consiste en la estructura de octetos celosía y el sistema de canal de colada usando una impresora 3D (Figura 2A - C).
Nota: Los procesos en 2.1.3 - 2.1.7 no son necesarios si se utiliza una impresora 3D que no genera materiales de apoyo.- Enviar un archivo STL del patrón de sacrificio a la impresora 3D para imprimir un patrón de sacrificio (Figura 2A).
- Derretir a cabo un material de soporte del patrón de sacrificio en un horno a por encima de la temperatura de fusión del material de soporte (60 a 70 C) durante 2 horas (Figura 2B).
Nota: La temperatura para eliminar el material de soporte no debe ser demasiado alta. De lo contrario, puede provocar daños en el patrón de sacrificio. El patrón de sacrificio empieza a ser dañado en alrededor de 80 C en este estudio.
Nota: La temperatura de fusión de apomateriales t varía con las impresoras 3D en donde se utilicen diferentes materiales de apoyo. - Llenar un limpiador ultrasónico digital con aceite para bebés de hasta 2,5 L, el volumen máximo que el limpiador puede contener (Figura 2C).
Nota: Se recomienda el proveedor de la impresora 3D de usar aceite de bebé para disolver los residuos del material de soporte similar a la cera. - Ponga el patrón de sacrificio en el limpiador ultrasónico digital y conectar la alimentación de la aspiradora (Figura 2C). Asegúrese de que el patrón de sacrificio está totalmente sumergida en el aceite.
- Eliminar el residuo del material de soporte sumergiendo el patrón de sacrificio en el aceite a 65ºC durante 40 minutos (Figura 2C).
- Sacar el patrón de sacrificio de la aspiradora si el material de soporte se elimina por completo.
- Tener el patrón de sacrificio seca con un ventilador a temperatura ambiente (~ 20 ° C) (Figura 2C).
Nota: Se tarda aproximadamente 2 horashasta que el aceite en la superficie del patrón de sacrificio está totalmente seca. Considere el patrón de sacrificio a secar completamente si la superficie no es pegajosa.
3. Fabricación de Mold
- Asamblea patrón
- Adjuntar una junta de goma para el patrón de sacrificio (la armadura octeto con el sistema de bebedero) y colocarlos en el fondo de un matraz en forma de cilindro con una altura de 6,35 cm y un diámetro de 6,35 cm (Figura 2D).
Nota: Preparar dos matraces para la colada de cada metal; Al y Cu aleaciones. - verificación doble la junta de goma con el patrón de sacrificio está completamente unido a la parte inferior del matraz.
- Envolver el matraz con una cinta adhesiva de manera que la inversión en polvo mezcla de agua, cuyo procedimiento se describe en la siguiente sección, no puede salirse del matraz.
- Adjuntar una junta de goma para el patrón de sacrificio (la armadura octeto con el sistema de bebedero) y colocarlos en el fondo de un matraz en forma de cilindro con una altura de 6,35 cm y un diámetro de 6,35 cm (Figura 2D).
- Preparación del molde de revestimiento
- Preparar la inversión en polvo (CaSO4 3) de 89 g, que es 87.16 ml. Utilice una balanza para pesar el polvo de la inversión.
Nota: Las propiedades físicas del polvo de revestimiento se muestran en la Tabla 1. - Verter el polvo de la inversión en un recipiente de mezcla (1 l).
- Verter agua (114 ml) en el tazón. Use un vaso de precipitados para medir el volumen de agua.
- Mezclar el polvo de revestimiento con agua en el recipiente durante 3 min. Mezclar bien hasta que no queden grumos en la mezcla de polvo de la inversión en agua. De lo contrario, puede causar una mala calidad de la superficie del molde de revestimiento. Siga el flujo de trabajo, como se muestra en la Figura 3.
- Con el fin de eliminar las burbujas de aire en la mezcla, colocar el recipiente en una cámara de vacío durante 90 segundos hasta que las burbujas de aire no se pueden ver en la mezcla con los ojos desnudos (Figura 3).
- Verter la mezcla en un matraz de incrustar el patrón de sacrificio y la junta de goma (Figura 2E).
- Coloque los flask en la cámara de vacío de nuevo durante 90 segundos para eliminar el residuo de burbujas de aire dentro de la mezcla (Figura 3).
- Secar la mezcla en el interior del matraz hasta que se endurece a temperatura ambiente (Figura 3).
Nota: Por lo general, se tarda unos 10 - 15 minutos para que la mezcla se endurezca a temperatura ambiente. - Retirar el matraz y la junta de goma en la parte inferior de la mezcla en el matraz una vez que la mezcla se endurece (Figura 3). Este producto puede ser llamado un molde de yeso.
- Preparar la inversión en polvo (CaSO4 3) de 89 g, que es 87.16 ml. Utilice una balanza para pesar el polvo de la inversión.
- Burn-out
- Establecer un tiempo de quemado en un horno mientras se sigue el horario de calefacción y refrigeración (Figura 4) de calentamiento desde 23 de hasta 150 ° C en el 2,1 C / min; 150-370 C a 3,7 C / min; 370-480 C a 1,85 c / min; 480-730 C a 4,17 c / min; 730 C durante 1 hora; enfriamiento 730-480 C a -4,17 C / min.
Nota: El tiempo de burn-out varIES con tamaño de un matraz. En este estudio, establecer el tiempo de quemado a 6 horas. - Coloque el molde de yeso en un horno (Figura 2F).
- Encienda el horno y aumentar la temperatura en el horno para eliminar el patrón de sacrificio en el interior del molde de yeso. Siga la condición de temperatura en la Figura 4.
Nota: Debido a que el plástico acrílico UV curable / moldeable, los materiales del patrón de sacrificio, es un plástico termoendurecible acrílico-polímero, no fluye pero se disocia a una fase de gas en el horno.
- Establecer un tiempo de quemado en un horno mientras se sigue el horario de calefacción y refrigeración (Figura 4) de calentamiento desde 23 de hasta 150 ° C en el 2,1 C / min; 150-370 C a 3,7 C / min; 370-480 C a 1,85 c / min; 480-730 C a 4,17 c / min; 730 C durante 1 hora; enfriamiento 730-480 C a -4,17 C / min.
- Fundición centrífuga (Figura 2G)
- Compruebe que el brazo de la máquina de fundición centrífuga gira con una velocidad angular de 425 rpm usando un tacómetro después de conectar la alimentación de una máquina de fundición centrífuga.
- Preparar dos crisoles de cerámica que pueden contener una aleación de 150 g se derrita. Usar crisoles separados para aleaciones de Al y Cu para evitar que se contaminen con el correoACH otro.
- Conecte la alimentación de la máquina de fundición centrífuga.
- Usando un cortador de metal, picar las aleaciones en pedazos con 10 - 20 mm de longitud. Prepararlos suficiente para llenar completamente la cavidad del molde cuyo volumen debe ser el mismo que el patrón de sacrificio.
Nota: La masa de los metales necesarios para llenar el mismo volumen de la cavidad del molde varía teniendo en cuenta la variación de densidad para cada metal. - Use telas retardantes de llama y guantes y gafas de seguridad. Preparar un cubo de agua (30 l) a temperatura ambiente.
- Tome el molde de yeso temporalmente fuera del horno en la Sección 3.3, instalarlo en el soporte de frasco y equilibrar el brazo de la máquina de fundición centrífuga (Figura 5).
- Coloque el molde de yeso de nuevo al horno y pre-calentamiento hasta 482 ° C antes de la colada.
- Colocar el crisol en el soporte crisol (Figura 5).
- Ponga la aleación picado en el crisol.
- Abra la válvula de un oxígenotanque conectado con un soplete de acetileno-oxígeno y mantener un nivel de presión en el depósito de 96,5 kPa (14 psi).
- Encender el soplete de acetileno-oxígeno con un encendedor y controlar la intensidad de la llama mediante el ajuste de la mezcla de gases.
Nota: Es necesario tener precaución cuando se utiliza el soplete de acetileno-oxígeno. Su temperatura máxima de la antorcha es de alrededor de 1200 ° C. - Fundir la aleación de picado (aleación de Al o de aleación de Cu) con la antorcha en el crisol hasta que la aleación se vuelve completamente líquida.
- Se agita la aleación en el crisol con una varilla de carbono hasta que la aleación de picado se derrita por completo.
- Coloque el molde de yeso en la cuna petaca al lado del crisol que contiene la aleación fundida (Figura 5).
- Cierre la cubierta de la máquina de fundición centrífuga, dejar que la rotación del brazo centrífugo y esperar por lo menos durante 3 min.
Nota: La máquina de colada centrífuga comienza a funcionar tan pronto como la cubierta de la máquina de colada se cierra. El brazo centrífugogira a una velocidad de 425 rpm que corresponde a la velocidad de entrada en la cavidad del molde del patrón de sacrificio, v r = 8,03 m / s 28, 29 en la Figura 5, donde la entrada de velocidad se calcula utilizando la dinámica de partículas macroscópicas de un angular velocidad de la fundición centrífuga brazo 28, 29. - Desactive la alimentación de la máquina de fundición centrífuga después de la rotación 3 min del brazo.
- Abra la tapa de la máquina de colada.
- Tome el molde de yeso del soporte de frasco con unas pinzas.
- Mantener el molde a temperatura ambiente durante 15 - 20 min hasta que el color de la aleación fundida se convierte en su original en la fase sólida.
- Con unas pinzas, apagar el molde de yeso en agua colocada en un cubo (30 L) a ta durante aproximadamente 5 min. Asegúrese de que la temperatura del molde de yeso está cerca de RT después del temple.
- Con el fin de obtener el metal de celosía en el interior del molde, se disuelve elmoho en el agua. El molde de yeso se disuelve fácilmente en agua.
4. Tratamiento posterior de los productos finales del octeto Truss Metales
- Conecte la alimentación de un chorro de arena.
- Coloque los metales octeto de celosía en la plataforma dentro del chorro de arena y cerrar la puerta de la máquina.
- Póngase los guantes y agarrar la pistola de chorro de arena.
- Agarrar la parte del bebedero del producto metálico y soplar el yeso residual de la rejilla metálica con el chorro de arena durante 2 horas.
Nota: La intensidad del chorro de arena se fija automáticamente aproximadamente a 550 kPa. Una vez que se acciona el chorro de arena, a continuación, el aire sale automáticamente de la pistola. - Mantenga el chorro de arena en marcha hasta que el residuo de yeso de inversión dentro del metal octeto cercha se elimina por completo mientras se comprueba a simple vista.
Nota: No hay un criterio microscópica en la eliminación de los residuos de yeso. Esto está más allá del alcance de este estudio. Tque la eliminación del residuo de yeso se determina fácilmente con el ojo desnudo. Debido a que la armadura octeto es una estructura de células abiertas, es posible ver a través y comprobar si o no el residuo de yeso se elimina por completo.
La precaución es necesaria para el chorro de arena para no dañar el metal octeto de celosía con un espesor de pared delgada (0,5 mm) a la alta presión (550 kPa): Nota. - Si el residuo de yeso inversión dentro del metal octeto armadura no se elimina totalmente con el chorro de arena, usar métodos de procesamiento de mensaje adicionales, por ejemplo, una limpieza por ultrasonidos o dejando el producto en agua durante un día.
- En caso de utilizar un limpiador ultrasónico, llenar 0,7 L de agua en el limpiador ultrasónico y colocar el metal octeto cercha con residuos de yeso en el limpiador ultrasónico.
- Conecte la alimentación del limpiador ultrasónico.
- Establecer una condición de operación, por ejemplo, 3 horas a 70 ° C.
- Tome el metal octeto cercha fuera del limpiador ultrasónico vez THoperación e termina.
- Secar el metal octeto cercha a TA hasta que el agua sobre la superficie metálica se elimina por completo.
- Como método alternativo post-procesamiento, deje el metal octeto cercha en agua. Esto hace que el residuo de yeso para ser disuelto en agua.
- Coloque el metal octeto cercha con el residuo de yeso en el agua y se deja durante un día, así que la fuerza de unión entre el yeso inversión y la superficie metálica se convierte en agua debilitan.
- Tome el metal octeto cercha fuera del agua.
- Secar el metal octeto cercha a TA hasta que el agua sobre la superficie metálica se elimina por completo.
- Con una sierra u otras herramientas apropiadas, cortar el metal llena la cavidad de la parte del sistema de bebedero fuera del producto metálico y obtener el metal octeto cercha final con un tamaño de 25 mm x 25 mm x 25 mm, como se muestra en la Figura 1B.
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Representative Results
Uso de la fabricación de aditivos indirecto descrito en la sección de protocolo, se utilizaron Al y Cu aleaciones de metales octeto de fabricación entramados, como se muestra en la Figura 1 El procedimiento de colada conjunto se resume en la Figura 2 El procedimiento consiste en ocho secciones:.. (A) sacrificial patrón de impresión (b) fusión de material de apoyo (c) la eliminación de los residuos de material de apoyo (d) conjunto de patrones (e) inversión (f) agotamiento de los patrones de sacrificio (g) de fundición centrífuga, y (h) post tratamiento. El proceso de mezcla inversión se realizó con el fin de asegurarse de que no había grumos en la mezcla de la inversión en agua, como se muestra en la Figura 3. El proceso de grabación de salida se llevó a cabo durante 6 horas para fundir el patrón de sacrificio, como se muestra en la figura 4, seguido por el proceso de fundición centrífuga (figura 2G y en la figura 5). Figura 6muestra los productos finales de metales octeto de celosía con aleaciones de Al y Cu. Esto demuestra que la aleación de Al fundido llena completamente toda la cavidad del molde de celosía sin misrun. Por otro lado, la aleación de Cu fundido parece tener un defecto de fundición con solidificación prematura en la fase temprana de la inyección del metal fundido en la entrada.
Figura 1. Esquema de una estructura de octetos braguero con un sistema de bebedero. La Figura 1 muestra un esquema de un patrón de sacrificio de estructura de octetos armadura con un sistema de canal de colada utilizado en este estudio. El sistema de bebedero consta de una lámina de un espesor de 1 mm, una anchura de 25 mm, y un pilar que tiene 10 mm de altura y 6 mm de diámetro. El sistema de bebedero se puede modificar utilizando el software de CAD, si es necesario, para el diseño de una mejor fluidez del metal líquido. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2. Una visión general de la AM indirecta con procedimiento de fundición centrífuga: (A) la impresión del patrón (B) por fusión de material de soporte (C) la eliminación de los residuos de material de apoyo (D) de montaje de patrones (E) inversión (F) quemar salida privado del patrón de sacrificio (G) de fundición centrífuga, y (H) el procesamiento posterior. Esta figura muestra todo el procedimiento de fabricación de metales octeto de celosía con AM indirecto de fundición centrífuga. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Figura 3. Calendario de Trabajo sobre la preparación de los moldes de yeso. La Figura 3 muestra la preparación de los moldes de yeso y el procedimiento para endurecerlo en el matraz. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4. Burn-out rápido Horario de patrón de sacrificio En el interior del molde de yeso. La figura 4 muestra el proceso de grabación de salida del patrón de sacrificio dentro de la mezcla endurecida. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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. Figura 5. Un esquemática de una máquina de fundición centrífuga La máquina de fundición centrífuga consta de ocho componentes: eje principal, base, brazo de fundición, pesas, cunas frasco, matraz, soportes que sostienen los brazos, titular de crisol, y el crisol de contención de armas. El brazo carcasa está equilibrado con el movimiento de los pesos a lo largo del brazo de la centrífuga. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 6. Producto Final del Octeto Truss Metales: estructuras de celosía con Octeto (A) Al y aleaciones (B) Cu. Se muestra un bastante buen grado de terminación de la aleación de Al octeto cercha. Por otro lado, un pobre grado de terminación se observa con la aleación de Cu octeto cercha.archivos / ftp_upload / 53605 / 53605fig6large.jpg "target =" _ blank "> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
| Propiedad | Valor [unidad] |
| Densidad a 20 ° C | 1.019 [kg / m ^ 3] |
| Conductividad térmica a 20 ° C | 0,47 [W / (m * K)] |
| Coeficiente de expansión térmica a 20 ° C | 7.22E-6 [/ ° C] |
| Aspereza | 2.72E-6 [m] |
Tabla 1. Propiedades del polvo de Inversiones. Esta tabla muestra las propiedades físicas del polvo de revestimiento utilizado en este estudio.
| 40 ml de agua a 100 g de polvo | |||||||
| diámetro matraz | Altura | ||||||
| 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 | |
| (Figura superior - Inversión en polvo (g), cifra inferior - Agua (ml)) | |||||||
| Nota: En este estudio, se usa un frasco con una altura de 6,35 cm y un diámetro de 6,35 cm. | |||||||
Tabla 2. Mezcla Condiciones de Inversión polvo con agua para un VariarFrasco Tamaño: Esta tabla muestra las condiciones de mezcla del polvo de la inversión y el agua para un tamaño que varía matraz recomendado por el fabricante. En este estudio, se usa un frasco con una altura de 6,35 cm y un diámetro de 6,35 cm.
| (A) Composición química de la aleación de Al | |||
| Material | Unidad | ||
| Aleación de aluminio | Composición química | ||
| Alabama | Cr | ||
| Mínimo máximo. | > 99 | <0,05 | |
| (B) Las propiedades físicas de aleación de Al | |||
| Propiedad | Unidad | ||
| temperatura de liquidus | 660 ° C | ||
| 660 ° C | |||
| Densidad | 2,340 [kg / m ^ 3] @ 850 ° C | ||
| Calor especifico | 1.090 J / kg ∙ ° C | ||
| Conductividad térmica | 0,9428 [W / (cm * ° C)] @ 850 ° C | ||
| Viscosidad | 0.00087 [Pa ∙ s] @ 850 ° C | ||
| coeficiente de tensión superficial | 900 [N / mm] | ||
. Tabla 3 Composición Propiedades químicas y físicas de la aleación Al 30: (a) Composición química de la aleación de Al y (b) Propiedades físicas de aleación de Al.
| (A) Composición química de la aleación de Cu | |||||||||||||
| Material | Unidad | ||||||||||||
| aleación de cobre (bronce joyería) | Composición química (% Max, a menos que se muestra como el rango de media) | ||||||||||||
| Cu | Si | Zn | mg | Pb | |||||||||
| Mínimo máximo. | 91.9 | 4 | 4 | 0,25 Max | 0,25 Max | ||||||||
| (B) Las propiedades físicas de aleación de Cu | |||||||||||||
| Propiedad | Unidad | ||||||||||||
| temperatura de liquidus | 1.035 ° C | ||||||||||||
| temperatura de solidus | 1.005 ° C | ||||||||||||
| Densidad | 7.200 [kg / m ^ 3] @ 1200 ° C | Calor especifico | 380 J / kg ∙ ° C | ||||||||||
| Conductividad térmica | 1,44 [W / (cm * ℃)] @ 1200 ° C | ||||||||||||
| Viscosidad | 0,0038 [Pa ∙ s] @ 1200 ° C | ||||||||||||
| coeficiente de tensión superficial | 1500 [N / mm] | ||||||||||||
. Tabla 4 Composición Propiedades químicas y físicas de la aleación Cu 30: (a) Composición química de la aleación de Cu y (b) Propiedades físicas de aleación de Cu.
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Discussion
Para la fundición de metal convencional, es importante para mantener el flujo del metal fundido suave y racionalizado en 'laminar' en la cavidad del molde y más bien evitar el flujo irregular y agitado observado generalmente en flujo turbulento 27. En consecuencia, es importante diseñar correctamente la entrada del sistema de bebedero asociada con la velocidad de rotación de un brazo de centrífuga para mantener el flujo de metal fundido dentro de la cavidad del molde de celosía 'laminar'.
En este estudio, los pasos críticos del protocolo son la mezcla de polvo de revestimiento con agua, el agotamiento del patrón de sacrificio, y el proceso de fundición centrífuga. El proceso de mezcla de polvo de revestimiento con agua es importante porque la calidad de los moldes de yeso está controlada principalmente por este proceso, posteriormente influir en el grado de realización de los productos finales de metales octeto de celosía. Por ejemplo, si la mezcla de inversión de agua es demasiado gruesa, la superficie roughness llega a ser alta, lo que resulta en un mal acabado de la superficie de los productos finales. El proceso de grabación de salida del patrón de sacrificio también es esencial para determinar la calidad de los productos finales porque residuo del patrón de sacrificio causa un defecto de fundición tal como misrun o metal penetración si el patrón de sacrificio no se quema completamente fuera. El último paso clave es el proceso de fundición centrífuga. Se requiere una configuración adecuada para la fundición para llenar completamente el metal líquido en la cavidad del molde en forma de inversión con una red compleja estructura de octetos cercha.
Como puede verse en la Figura 6, en las mismas condiciones de procesamiento, por ejemplo., La velocidad de entrada, la temperatura de entrada de metal fundido, temperatura de precalentamiento del molde, aleación de Cu muestra una solidificación prematura en una cavidad de molde de celosía con un espesor de pared de 0,5 mm (Figura 6 (b)). Esto se piensa ser causado por la alta tensión superficial (1,500 N / mm) y de alta viscosidad (0,00038 Pa · s) dealeación de Cu a través de la micro-canales en la cavidad del molde de celosía. Por otro lado, parece que un coeficiente relativamente bajo tensión superficial (900 N / mm) y la viscosidad (0,00087 Pa · s) de la aleación de Al fundido permite que se llene completamente la cavidad del molde de celosía octeto cercha. Se recomienda para encontrar una velocidad de entrada óptima de metal fundido para la colada de estructuras de red de la red 3D con un espesor de pared delgada con el fin de superar el cambio repentino en la dirección del flujo de metal fundido y el efecto de la tensión superficial en el micro-canal de la celosía cavidad del molde estructural.
El efecto de la tensión superficial del metal fundido es conocido por ser dominante en un canal delgado donde esta celosía geometría molde de cavidad en este estudio se puede aplicar. Puede ser posible fabricar una aleación de Cu de celosía con un espesor de pared más gruesa y mayor velocidad de inyección de fundición centrífuga como se demuestra en nuestro trabajo anterior 28-29.
AM métodos suc directah como el MST y la MBE se han considerado los posibles métodos de fabricación de metales ligeros de celosía en 3D. Sin embargo, los métodos directos AM parecen estar limitados en la selección de materiales. Por ejemplo, la tecnología EBM actual está limitado a Ti-6Al-4V y Inconel 31. A pesar de su amplio uso en la industria aeroespacial y aplicaciones bio-implante, de aluminio, por ejemplo, no se esté producida usando esta tecnología. En teoría, podría ser posible extender la AM directo a otros metales en polvo a través de un estrecho control de los parámetros del proceso. Sin embargo, en la práctica, la directa AM se ha informado que tienen dificultad en la fabricación de piezas con polvos metálicos con alta reflectancia óptica y alta conductividad térmica, por ejemplo., Al. Por otra parte, la evaporación y la explosión en el interior de la cámara de construcción han sido emitidas por el polvo de aluminio 31.
La técnica indirecta AM propuesto es importante porque esta permite fabricar estructuras de celosía con metales dondeAM métodos directos experimentan dificultades, lo que resulta en la potenciación de la capacidad de fabricación global de metales de celosía en 3D con los AM directos e indirectos mediante la ampliación de la gama de selección de metales. Además, fundición centrífuga, un paso en este estudio, se conoce proporcionar una propiedad isotrópica de las piezas de metal debido a la relativamente igual propagación de metal fundido en la cavidad del molde. Esto puede resolver el problema actual de AM directo sobre la anisotropía causada por tanto de fabricación por capas y la formación de granos anisotrópico 20-21.
La exploración de otros metales para AM indirecta junto con los estudios sobre el efecto de los parámetros del proceso de geometrías de celosía se dejará a nuestro trabajo futuro.
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Acknowledgments
Este estudio recibió el apoyo de la Investigación Iniciación Grant (RIG) del Vicerrectorado de Investigación y Desarrollo Económico de la Universidad del Norte de Texas (UNT). Los autores también agradecen a KCI Co. Ltd para apoyar parcialmente este estudio. El apoyo del Instituto de Tecnología de PACCAR en UNT para el éxito de esta publicación es muy apreciada.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Motorized centrifugal casting machine | Rey Motorized Centrifugal Casting Machine, Rey Industries Inc. | Made in U.S.A. by Rey industries, Inc. Dallas, TX 75220 | |
| Gypsum powder | Satin Cast 20, FindingKing Kerr | 7960 | Gypsum powder is used to make the investment mixture |
| Ployjet 3D printer | Projet HD3500 Plus, 3D Systems | This polymer based 3D printer to print out sacrificial pattern for casting. | |
| Cartridge materials - UV curable and castable acrylic plastic | VisiJet Procast, 3D Systems | This is castable material that is going to be burn out before casting | |
| Cartridge materials- support material | VijiJet S300, 3D Systems | This is support material that is going to be removed before pattern assemble | |
| Ancient Bronze Casting Grain | Rio Grande | 706051 | This true bronze grain contains no zinc. Highly fluid, it melts quickly, casts cleanly and provides a good balance between strength and durability. The warm, deep-bronze color has rich red undertones, and the alloy takes a good patina. Composition is 90% copper with an amount of tin; fits into the CDA#90700 category. This grain is sold in 1 lb. packages. |
| Aluminum Round Wire, 1/8", 1-Lb. Spool, Dead Soft | Rio Grande | 134700 | Lightweight and strong, aluminum wire is an economical and versatile choice. Not as bright-white as silver, aluminum offers a warmer tone much like that of platinum. Solder ONLY with low-temp solders such as Stay-Brite; suitable for both pulse-arc and laser welding. This quality aluminum wire is packaged on 1 lb. spools. |
| Computer aided design software (Pro-e) | This software can be replaced with the others such as Auto CAD, Catia, and so on. | ||
| ProJet Finisher 1-A | 3D Systems | This machine is used to melt the support material. | |
| 160 Watt 2.5 Liters Digital Ultrasonic Cleaner with Timer Heater Rings Tools | Chicago, Electric, Power Tools | 85 oz. capacity, Five cleaning cycles: 90, 180, 280, 380 and 480 seconds, Clean with or without heat, Easy-to-read LED digital timer, Clear-view window | |
| Fan | Honeywell Inc. | HT-800 | 120 V A.C., 60 Hz., 0.85 A. TP |
| Paraffin wax for wax sheet - Modeler's Pink Wax Sheet, 3" by 6", 24-Ga. | Rio Grande | 700075 | Sheet wax is flexible and can be cut or formed into any shape. It’s ideal for designing since you can draw or trace directly onto the sheet; choose green or pink depending on which will best show your designs. High manufacturing standards ensure exceptional consistency and significant price savings. Value is enhanced by larger package quantities at the same price as the smaller packages available elsewhere. Each 8-oz. package contains approximately 30 sheets. |
| Paraffin wax for wax stick - Modeler's Medium Red Sprue Wax, 8-Ga | Rio Grande | 700741 | A pliable, softer sprue wax than the firm blue. Good for forming gates and sprues and burns out cleanly with no residue. |
| Alcohol Lamp | Rio Grande | 700008 | Use this lamp to heat wax-working tools or as a flame polisher. The heavy glass reservoir has faceted sides to allow it to be tipped for angling the flame. A screw adjustment for the 7" x 3/16" wick controls the height of the flame. A safety cap snuffs the flame and prevents fuel evaporation. For the best flame, use methyl alcohol fuel. Replacement wicks available. Reservoir holds 5 oz. (150 ml) of fuel. |
| Wax carving tool set - Soft Grip Wax Carvers, Set of 10 | Rio Grande | 700329 | This boxed set offers the best in cutting and shaping technology. Each of these ten high-quality steel wax-carving tools features a 5/16" PVC covered handle that ensures a sure, comfortable grip through hours of work and all have sharp edges for shaping and fine detailing. Sharpen or custom-shape each tool to fit your needs. These tools provide exceptional tool strength and deliver excellent results. This set comes in a hinged, foam-lined wood box. |
| Rubber Mixing Bowl, 1 - 1/2 Qt. | Rio Grande | 702131 | This highly-flexible vulcanized rubber bowl is easy to grip, will not be marred by a spatula and cleans with ease. |
| Pyrex Beaker, 1,000ml | Rio Grande | 335040 | Ideal for holding and heating bath plating solutions, this genuine Pyrex glass beaker is sturdy and durable. |
| Rio Premium Stainless Steel Flask, 2 - 1/2" dia. | Rio Grande | 70201514 | This solid, #304-quality stainless steel flask is corrosion-resistant, durable for a long service life and performs under extreme temperature without distortion. |
| CAST/T Ceramic Casting Crucible, 450 g | Rio Grande | 705047 | Made exclusively for the CAST/T centrifugal casting machine, this crucible is designed with an angled base that slides into the hinged bracket on top of the casting machine. This brings the crucible into perfect alignment with the center of the flask ring to ensure an error-free pour. |
| MyWeigh iBalance 300 Digital Scale | Rio Grande | 116850 | This scale is used to measure the weight of the sacrificial and sprue system for metal which is going to be used for centrifugal casting. |
| Rubber bottom - CAST/T Flask Ring Base | Rio Grande | 705025 | Specially made for the CAST/T centrifugal casting machine, this rubber base accommodates all Table King flask ring styles, creating a secure, airtight seal throughout the investment process. The center post fits either of the wax disc styles for complete versatility. |
| Scotch® Colored Duct Tape, 1 7/8" x 20 Yd., Blue | OfficeMax | 22353766 | This scotch tape is used to make sure that the gypsum-water mixture fully covers the assembled sacrificial pattern inside the flask by allowing for extra material above the flask height |
| Vacuum casting machine - V.I.C. 12 Tabletop Solid- and Perforated-Flask Casting Machine with The Rio Assistant, 110-Volt | Rio Grande | 70511814 | The V.I.C. 12 casting machine offers all the latest technical innovations for efficient, productive vacuum investing and casting. Designed to meet the demands of medium-sized casting operations, this machine includes a powerful 1/2 hp, 5cfm vacuum pump for effective vacuuming and outstanding casting results. The V.I.C. 12 casts small or large flasks. Includes an adapter table that accepts standard solid flasks up to 5" x 7" high and is mounted on rubber feet for stability. |
| Furnace for burn out sacrificial pattern -Rio Model 1000 Enameling Kiln with Nine Program Controller | Rio Grande | 703121 | The Rio enameling kiln features three pre-set firing temperatures for enamels and six that you can define. Use the exclusive Rio controller to set and maintain firing temperatures. Perfect for all types of enameling, including tall pieces. Includes ample space for firing and an easy-latch door that will not jar your enamels when opening and closing. Also suitable for metal clay, glass and ceramics. Galvanized steel case with high-temperature insulating firebrick keeps them cool. Element protected in recessed groove. Includes user instructions. |
| Smith Complete Little Torch Acetylene and Oxygen System | Rio Grande | 500030 | Get everything you need to equip your shop for soldering and brazing. Use Little Torch systems for gold or silver soldering, brazing and casting applications. Complete every soldering and melting job with confidence and ease! This system accepts all Little Torch accessory tips for melting, brazing and large soldering jobs and is a staple for every jeweler. |
| Heat-Resistant Safety Apron | Rio Grande | 750160 | The specially designed apron has an 800 °F (427 °C) temperature resistance. Its reflective finish repels hot metal splashes and helps insulate the wearer from heat. |
| Radnor Heat-Resistant Gloves | Rio Grande | 350050 | These flexible, heat-resistant gloves are ideal for enameling projects, allowing you to grip even small tongs securely. Blue, shoulder-split leather gloves are made of tough cowhide and lined with cotton and foam, and have reinforced thumb wings. |
| Platinum Soldering Glasses, #7 | Rio Grande | 113914 | Protect yourself and your employees when soldering platinum. Comfortable glasses feature adjustable earpieces and 52mm IR green polycarbonate #7 lenses. The #7 lens is approved by The Platinum Guild. |
| Economy Light-Duty Flask Tongs | Rio Grande | 704026 | Constructed of bent steel, these tongs are designed to handle flasks 3-1/2" or less in diameter. The small-angle notches grip smaller flask sizes and the larger, rounded contour area securely holds larger flasks. |
| Separating Screen Bucket | Rio Grande | 201360 | 15"-diameter, 11-1/2"-deep |
| Sand blaster - Econoline - 101701CB-A - Free-Standing Cabinets Workspace Width (Inch): 60 Workspace Depth (Inch): 48 | MSC industrial supply Co. | 223818 | Ree-Standing Cabinets; Workspace Width (Inch): 60; Workspace Depth (Inch): 48; Workspace Height (Inch): 40; Air Requirement: 12 CFM @ 80 psi; Overall Cabinet Width (Inch): 65; Maximum Cabinet Depth (Inch): 86 |
| Johnson's Baby Oil Shea & Cocoa Butter | Wal-Mart | 260074132 | This baby oil is used for removing the residue of the support material for the castable sacrificial pattern using Digital Ultrasonic Cleaner. |
| German 4" Saw Frame and Saw Blade Kit | Rio Grande | 110112 | Quality, German-made frames are our most popular saw frames, and this frame includes a sampler pack of Rio German saw blades! The adjustable saw frame allows you to achieve the blade tension you want. Throat depth is 102mm (4"). Saw blades have rounded backs that make cutting curves and corners easy and are made from hardened, tempered steel. |
References
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