Apakah dukungan terlarut layak dilakukan dalam pencetakan 3D logam?

1. Prinsip teknis: Anoda pengorbanan untuk terobosan elektrokimia
Metode proteksi anoda korban, yang menggunakan perbedaan potensial antara dua logam dalam elektrolit untuk menyebabkan korosi selektif, merupakan dasar dari teknologi pendukung terlarut. Dalam pencetakan 3D logam, teknik ini digunakan dengan cara baru untuk memisahkan bagian badan dari struktur pendukung:
Memilih material yang tepat: Gunakan logam yang tidak berkarat (seperti baja tahan karat) untuk bagiannya dan logam yang berkarat (seperti baja-karbon rendah) untuk penyangganya. Misalnya, tim Arizona State University menggunakan campuran baja tahan karat AISI 431 (untuk suku cadang) dan baja karbon rendah Metco 91 (untuk penyangga) agar penyangga tersebut larut dalam asam nitrat tanpa merusak permukaan komponen.
Kecepatan elektrokimia-peningkatan: Menggunakan asam nitrat saja akan menyebabkan korosi terjadi lebih lambat (hanya melarutkan 1,4 mm baja karbon dalam 10 jam), namun menambahkan gelembung oksigen akan menyebabkan korosi 6 kali lebih cepat. Oksigen memecah lapisan pasivasi pada permukaan baja karbon, mempercepat perkembangan arus korosi, dan melarutkan seluruh 7 mm baja karbon terakhir dalam 6 jam.
Pengendalian yang selektif : Untuk bahan penunjang, elektrolit harus mempunyai selektivitas kelarutan lebih dari 100:1. Misalnya, asam nitrat menggerogoti baja karbon 1000 kali lebih cepat dibandingkan dengan baja tahan karat, yang berarti bahwa komponen tersebut tidak dirugikan.
2. Kompatibilitas Bahan: Keterbatasan dan Solusi Metalurgi
Untuk menggunakan dukungan terlarut dalam industri, dua masalah besar dalam ilmu material perlu dipecahkan:
Kompatibilitas metalurgi: Kondisi berikut harus dipenuhi oleh bahan pendukung dan bahan komponen:
Kesamaan struktur kristal: untuk mencegah retak tegangan antarmuka yang dapat terjadi ketika koefisien muai panas berbeda. Misalnya, baja karbon rendah-dan baja tahan karat keduanya memiliki struktur kubik berpusat muka dan perbedaan koefisien muai panas kurang dari 10%. Ini berarti mereka dapat menangani perubahan suhu tinggi selama pencetakan 3D logam.
Jauhi senyawa intermetalik: Beberapa kombinasi bahan, seperti paduan titanium dan aluminium, lebih cenderung menjadi rapuh pada suhu tinggi. Untuk menghindari hal ini, Anda perlu mengatur parameter proses atau membangun lapisan perantara.
Perluasan sistem material: Penelitian saat ini menunjukkan bahwa baja tahan karat-sistem baja karbon dimungkinkan, dan kombinasi material lebih lanjut perlu dilakukan di masa mendatang.
Paduan-suhu tinggi: Inconel 718 dan bahan anoda korban tertentu dapat digunakan bersama untuk membuat komponen ujung panas untuk mesin pesawat terbang.
Paduan titanium: Dengan-menyempurnakan formula elektrolit, Ti6Al4V dan zat pendukung terlarut dapat bekerja sama.
Logam tahan api: Untuk menghilangkan dukungan dari logam-titik leleh-tinggi seperti tungsten dan tantalum, kita perlu membuat sistem elektrokimia yang bekerja pada suhu tinggi.
3, Optimalisasi proses: melakukan lompatan dari lab ke jalur produksi
Untuk melakukan industrialisasi teknologi pendukung terlarut, tiga hambatan proses yang signifikan harus diatasi:
Meningkatkan efisiensi korosi: Teknologi elektrokimia pulsa: Membantu menghilangkan produk korosi dan menghentikan pembentukan lapisan pasivasi dengan menghidupkan dan mematikan arus. Misalnya, tegangan berdenyut dapat membuat baja karbon terkorosi tiga kali lebih cepat.
Bantuan ultrasonik: Menambahkan gelombang ultrasonik ke elektrolit mempercepat perpindahan massa dengan menyebabkan kavitasi, yang mengurangi waktu korosi lebih dari 50%.
Kontrol kualitas permukaan:
Sistem sirkulasi elektrolit: Memompa sirkulasi elektrolit menjaga kekasaran permukaan tidak bertambah buruk dengan mencegah perbedaan konsentrasi lokal. Misalnya, tangki korosi semprot dapat membuat permukaan benda menjadi tidak terlalu kasar, dari Ra10 μm hingga Ra2 μm.
Pemolesan setelah perawatan: Korosi elektrokimia, bersama dengan metode non-kontak seperti pemolesan magnetorheological, dapat membuat permukaan sehalus cermin (Ra<0.1 μ m).
Integrasi otomatis:
Sistem untuk menemukan sesuatu secara online: CT Industri memungkinkan pemantauan-residu pendukung secara real-time dan penyesuaian dinamis parameter korosi. Misalnya, sistem Smart Clean GE Additive dapat secara otomatis menemukan titik dukungan dan meningkatkan distribusi kepadatan arus.
Kontrol loop tertutup: Gunakan metode pembelajaran mesin untuk mengembangkan model yang memprediksi laju korosi sehingga parameter proses dapat diubah secara otomatis. Setelah satu perusahaan pesawat menggunakan teknik ini, tingkat penghapusan dukungan meningkat dari 70% menjadi 99%.
4. Prospek penerapan industri: dari struktur rumit hingga produksi massal
Dalam-produksi dunia nyata, teknologi dukungan terlarut telah terbukti cukup berguna:
Di bidang kedirgantaraan, GE Aviation menggunakan pencetakan pendukung terlarut untuk membuat ruang bakar Inconel 718. Hal ini memangkas waktu yang diperlukan untuk melepas penyangga dari 40 jam menjadi 8 jam, dan tidak ada bekas kerusakan mekanis di permukaan.
Pembuat satelit telah berhasil mencetak penukar panas dengan 2000 saluran mikro yang memanfaatkan teknologi pendukung terlarut. Lebar saluran hanya 0,5 mm dan tingkat residu bubuk kurang dari 0,1%.
Implan medis: Sendi pinggul yang dipersonalisasi: Johnson&Johnson Medical menggunakan dukungan terlarut untuk mencetak sendi pinggul Ti6Al4V dengan kekasaran permukaan Ra0,8 μm. Hal ini memenuhi standar implan ortopedi dan menghindari kesulitan pengerasan permukaan yang dapat terjadi pada pemesinan tradisional.
Implan gigi: Sebuah perusahaan gigi telah memangkas waktu yang diperlukan untuk mencetak implan dari tiga hari menjadi satu hari menggunakan teknologi pendukung terlarut. Hal ini telah memangkas harga sebesar 40%.
Pembuatan cetakan: Cetakan pendingin fleksibel dibuat dengan menggabungkan baja cetakan (seperti H13) dengan bahan pendukung yang dapat larut. Ini memungkinkan Anda mencetak saluran pendingin yang rumit. Ketika teknik ini digunakan di pabrik cetakan mobil tertentu, efisiensi pendinginan cetakan meningkat sebesar 30% dan waktu yang dibutuhkan untuk membuat cetakan berkurang sebesar 25%.