Penambahan dan penghapusan dukungan telah lama menjadi tantangan selama manufaktur aditif logam (AM). Mengambil sintering laser logam langsung (DMLS) sebagai contoh, model perlu disetel sebelumnya dengan struktur pendukung sebelum mencetak untuk menghindari deformasi yang disebabkan oleh tekanan termal dan menghantarkan panas dari kolam cair. Kurung ini adalah bagian dari desain dan manufaktur secara keseluruhan. Setelah konstruksi, struktur pendukung dibongkar dan dibuang. Tanpa dukungan, sulit untuk mencetak struktur kantilever di bawah sudut kemiringan tertentu (biasanya sekitar 45 derajat ), yang sering membatasi pilihan bagi pengguna sistem pencetakan 3D logam, dan juga membawa banyak OEM peralatan dan perusahaan perangkat lunak manufaktur aditif. tantangan besar.
Untuk mengatasi masalah di atas, para ahli dari perusahaan EOS Additive Minds kini telah mengembangkan berbagai teknik pengoptimalan proses untuk menghasilkan komponen cetak 3D tanpa struktur pendukung, seperti cincin stator, rumahan, pompa turbo, tangki oli, penukar panas, katup, dan impeler, di antaranya impeller tertutup adalah salah satu kasus yang lebih umum. Melalui perangkat lunak desain yang dioptimalkan dan paket parameter, EOS memungkinkan pengguna untuk mencetak kantilever dan jembatan pada sudut yang lebih rendah (kadang-kadang bahkan nol), membutuhkan dukungan yang jauh lebih sedikit atau tidak sama sekali.
Pembuatan aditif yang tidak didukung juga menghemat banyak waktu pada tahap pasca-pemrosesan, karena tidak ada dukungan tambahan yang perlu dihapus. Dalam kasus penghapusan manual, ini juga membebaskan waktu dan energi karyawan untuk pekerjaan lain. Manufaktur suku cadang tanpa struktur pendukung juga mengurangi limbah material, karena tidak ada yang dibuang dan semua aspek desain suku cadang dan pendukung diperlukan. Namun, ini bukanlah proses yang mudah, dan para ahli desain perangkat lunak serta produsen telah mengerjakan tantangan desain yang tidak didukung selama bertahun-tahun.
Dalam artikel ini, terutama diperlihatkan bagaimana para ahli di EOS menggunakan metode yang tidak didukung untuk membuat impeller. Impeler tertutup atau terselubung digunakan di banyak industri dan mereka sangat bervariasi dalam ukuran, bentuk, bahan, dan persyaratan kinerja. Impeler tertutup sering terkena kondisi ekstrem seperti kecepatan rotasi tinggi, media yang sangat korosif, dan beban mekanis yang disebabkan oleh suhu ekstrem. Misalnya, aplikasi turbopump di roket luar angkasa, sistem kompresi di turbin mikro, dan pompa air laut dalam aplikasi minyak dan gas.
Mendukung persyaratan desain dalam pencetakan 3D logam tradisional
Merancang komponen cetak 3D dengan dukungan telah menjadi pendekatan standar untuk manufaktur aditif (AM). Jumlah, ukuran, dan lokasi penyangga ditentukan oleh sejumlah faktor:
Tegangan sisa selama pencetakan dapat menyebabkan deformasi model 3D. Dukungan dapat ditambahkan untuk secara fisik mencegah deformasi ini;
Gangguan pada pelapis ulang yang mempengaruhi bangunan perantara bagian dapat menggetarkan bagian atau menyebabkan kerusakan, yang mengakibatkan pekerjaan tidak berhasil. Bracket digunakan untuk melindungi part dari pengaruh recoater;
Perpindahan panas melalui penyangga memungkinkan bagian menjadi dingin dan terbentuk lebih cepat dan lebih berhasil selama proses pembuatan.
Untuk memastikan printer 3D membangun dan berhasil memproduksi suku cadang, berbagai alasan yang memengaruhi desain dukungan perlu dipertimbangkan, termasuk:
Orientasi bagian menentukan seberapa banyak bagian yang perlu didukung. Biasanya, jika bagian-bagian diorientasikan sehingga area permukaan yang lebih besar tidak berada di pelat bangunan, lebih banyak dukungan diperlukan untuk mengimbangi faktor-faktor di atas.
Overhang 45 derajat atau kurang umumnya dianggap membutuhkan struktur pendukung.
Saluran dan lubang dapat berubah bentuk tanpa dukungan, tergantung pada ukurannya dan apakah orientasinya tidak efektif.
Desain model
Berbekal keahlian yang tepat dan keterampilan pemecahan masalah yang kreatif, tim di EOS telah berhasil mengembangkan cara-cara baru untuk merancang dan membangun model, menghancurkan anggapan sebelumnya tentang "penurunan rendah harus menambah dukungan", dengan hasil yang luar biasa. Impeller yang digunakan dalam artikel ini untuk mendemonstrasikan struktur yang tidak didukung dan kemampuan proses DMLS dirancang oleh EOS Additive Minds dengan diameter 150 mm dengan 12 bilah dengan sudut menjorok hingga 10 derajat.
Arah kemiringan anggota dan struktur pendukung
Impeler biasanya dicetak dalam orientasi miring untuk menghindari penopang internal karena sulit dilepas. Namun, orientasi ini biasanya menghasilkan waktu pembuatan yang lebih lama, kualitas permukaan yang tidak rata, dan kebulatan bagian akan berkurang. Orientasi planar menawarkan beberapa keuntungan, seperti waktu pembuatan yang lebih singkat, kebulatan dan akurasi yang lebih baik, dan kualitas permukaan yang lebih seragam di seluruh bagian. Namun, overhang rendah biasanya membutuhkan banyak dukungan. Untuk proses DMLS saat ini, overhang yang lebih besar kurang dari 35 derajat perlu didukung. Dukungan diperlukan untuk menghilangkan panas dari kolam cair untuk mengkompensasi gaya pelapisan ulang dan tekanan bagian internal.
Pengoptimalan desain yang tidak didukung
EOS secara signifikan mengurangi kebutuhan untuk menambahkan dukungan internal dengan memanfaatkan teknik desain model tingkat lanjut. Optimalisasi desain proses manufaktur aditif juga merupakan aspek penting lainnya yang terkait dengan keberhasilan pencetakan. Sementara dukungan internal dapat dihindari terutama melalui penggunaan strategi eksposur yang disesuaikan, struktur pendukung eksternal seringkali masih diperlukan.
Dalam kasus impeller artikel ini, alih-alih menggunakan isian padat, bagian bawah dimodifikasi dengan menggunakan lengkungan mandiri dan dinding tipis untuk memastikan sambungan platform yang kuat dan mencegah deformasi selama konstruksi. Hal ini memungkinkan penggunaan bahan yang lebih sedikit daripada stent konvensional sambil memberikan kekuatan tinggi dan kemampuan mesin yang lebih baik. Diameter luar impeller ditutup untuk memberikan kekakuan yang lebih besar pada bagian saat dibangun dan untuk mencegah hilangnya akurasi geometrik di tepi outlet. Untuk impeller ini, desain yang canggih memungkinkan pengurangan material sebesar 15 persen, sekaligus dioptimalkan oleh mesin dan swadaya, tanpa dukungan internal.
Optimalisasi proses
Impeller dibuat menggunakan apa yang disebut metode DownSkin berenergi tinggi (jenis paparan yang digunakan untuk membangun permukaan yang menjorok). Pada dasarnya, metode ini meningkatkan input densitas energi dari paparan DownSkin dengan meningkatkan daya laser sambil menyesuaikan parameter DownSkin lainnya. Ini menghasilkan kolam lelehan yang lebih besar tetapi lebih stabil, terutama saat membangun overhang di atas bedak lepas. Metode ini telah berhasil digunakan untuk banyak bahan yang sering digunakan untuk membuat impeler (misalnya Ti64, 316L, AlSi10Mg, In718, dll.).
Oleh karena itu, dapat dipastikan bahwa semua sudut kritis dapat memperoleh manfaat dari parameter yang dioptimalkan ini. Tidak seperti teknologi lain yang tidak didukung, pendekatan DownSkin berenergi tinggi tidak mengorbankan kecepatan pembuatan dan oleh karena itu kasus bisnis untuk menghindari dukungan.
Jika tidak ada tindakan pencegahan, metode DownSkin berenergi tinggi dapat mengakibatkan bagian yang terlalu besar di arah-z di wilayah DownSkin karena kolam las yang dalam. Bagian dapat disesuaikan dengan ukuran yang tepat dengan pasca-pemrosesan atau dengan mengubah desain. DownSkin juga relatif kasar, tetapi kekasarannya seragam, yang membantu teknik penyelesaian permukaan massal seperti pemesinan aliran abrasif. Juga hampir tidak ada porositas (lihat gambar di bawah), porositas terbatas pada DownSkin. Oleh karena itu, sifat mekanis keseluruhan tidak terpengaruh dan Anda masih dapat mengandalkan proses InFill berkualitas tinggi yang dikembangkan oleh EOS. Oleh karena itu, proses sekunder seperti pengepresan isostatik panas juga tidak diperlukan untuk mendapatkan sifat mekanik yang memadai.
Pasca-pemrosesan (Abrasive Flow Machining, AM Metals)
Pemesinan aliran abrasif adalah teknik penyelesaian permukaan yang umum digunakan untuk aplikasi terkait aliran dan geometri internal. Media abrasif didorong melalui bagian yang dipegang di fixture. Partikel abrasif di media menggiling dan memoles permukaan di sepanjang jalur aliran. Sebagai persiapan untuk finishing permukaan bagian dalam, diameter luar tertutup perlu dikerjakan menjadi terbuka, diameter dan tinggi bagian disesuaikan dengan perlengkapan untuk proses AFM. Setelah pra-pemesinan, bagian tersebut dijepit dan media abrasif didorong melalui bagian tersebut dengan bantuan penjepit. Setelah proses AFM, impeller dikerjakan dengan mesin hingga ukuran akhir.
Bagian akhir dirawat dengan Abrasive Flow Machining (AFM)
Dengan kemajuan teknologi pencetakan 3D yang berkelanjutan, suku cadang cetakan 3D logam akan terus berkembang menuju pasar konsumen akhir.