Mengapa struktur pendukung pencetakan 3D logam harus dihilangkan?

1. Tugas utama struktur pendukung dan perubahannya seiring berjalannya waktu
Hambatan fisik untuk mengendalikan termodinamika
Selama proses pencetakan 3D logam, sinar laser atau elektron menciptakan suhu yang sangat tinggi (di atas 2000 derajat) di tempat-tempat kecil, yang membuat material berubah dari cair menjadi padat dengan sangat cepat. Struktur pendukung mempunyai dua tujuan dalam proses ini. Pertama, sebagai media konduksi termal, ia dengan cepat memindahkan panas dari area tersuspensi ke substrat, sehingga mencegah penumpukan tegangan sisa akibat panas berlebih lokal. Kedua, dengan membatasi aliran logam, hal ini menjaga kolam cair agar tidak runtuh akibat gravitasi. Misalnya, saat mencetak impeler paduan titanium, struktur pendukung dapat mengurangi tekanan termal sebesar 60% ketika sudut suspensi kurang dari 45 derajat. Hal ini menurunkan tingkat deformasi lengkungan bagian dari 32% menjadi kurang dari 5%.
Hasil yang tidak dapat dihindari dari iterasi proses
Mesin cetak 3D logam awal memerlukan banyak struktur pendukung karena tidak dapat mengatur kepadatan energi dengan baik. Perangkat SLM modern dapat memberikan "dukungan adaptif" dengan memodifikasi kepadatan daya laser secara dinamis berkat pengembangan teknologi pemodelan penggandengan multi-fisika. Perangkat LiM-X260A Leiming Laser, misalnya, telah berhasil mencetak struktur tersuspensi tanpa dukungan apa pun pada sudut kecil 5 derajat -35 derajat dengan menggunakan algoritme pemindaian yang dioptimalkan. Hal ini mengurangi jumlah bahan pendukung yang dibutuhkan sebesar 78%. Namun teknologi ini masih hanya berguna untuk jenis bahan dan bentuk tertentu saja.
2. Masih terdapat cacat fatal pada struktur pendukung
Pembunuh properti material yang tak terlihat
Antarmuka material dari struktur pendukung dan badan pencetakan sangat berbeda satu sama lain dalam hal pengorganisasiannya. Saat mencetak dengan baja tahan karat 316L, kristal berbentuk kolom kasar dapat terbentuk di persimpangan antara penyangga kisi dan benda padat. Hal ini membuat area tersebut 15% hingga 20% lebih lembut dan 40% kurang tahan lama. Efek "anoda kecil katoda besar" dari residu pendukung dapat menghasilkan korosi elektrokimia, yang sangat buruk bagi bagian-bagian penting seperti cakram turbin pada mesin pesawat karena mempercepat laju korosi sebanyak 3 hingga 5 kali lipat.
Efek merusak pada ketepatan bentuk
Titik kontak antara struktur pendukung dan permukaan komponen akan menciptakan lapisan transisi dengan ketebalan 0,1 hingga 0,3 mm. Lapisan ini kemungkinan besar memiliki cacat permukaan jika dihilangkan secara mekanis. Misalnya, nozel bahan bakar dari GE Aviation memiliki saluran aliran internal yang hanya berdiameter 2 mm. Jika terdapat sisa penyangga, bagian saluran aliran dapat menekuk lebih dari 8%, yang secara langsung mempengaruhi efek atomisasi bahan bakar. Bahkan dengan teknik mutakhir seperti pelarutan elektrokimia, korosi lokal pada tingkat 0,05 mm masih dapat terjadi jika kerapatan arus tidak tersebar secara merata.
Titik lemah pengendalian biaya
Biaya bahan yang digunakan untuk membuat struktur pendukung menghasilkan sekitar 12% hingga 18% dari total biaya pencetakan 3D logam. Harga paduan-berbasis nikel-suhu tinggi lebih dari $2000 per kilogram, dan membuang material tambahan merupakan pekerjaan yang terlalu merepotkan. Biaya tenaga kerja pada tahap-pemrosesan jauh lebih mengkhawatirkan karena mungkin mencapai 25% hingga 30%. Di lini produksi otomatis BMW IDAM, orang masih harus membantu proses pelepasan, yang telah menjadi hambatan besar yang menghentikan proses keseluruhan menjadi otomatis.
3. Terobosan dan permasalahan teknologi yang membantu penghapusan
Sebuah Revolusi dalam Penghapusan Mekanis yang Presisi
Ada dua masalah utama dengan proses mekanis tradisional seperti pemotongan dan penggilingan kawat: pertama, proses tersebut sulit dilakukan karena struktur rongga interior yang rumit, dan kedua, sulit dikendalikan pada tingkat mikrometer. Sistem robot NetShape dari Rivelin Robotics dapat mengatur gaya kontak hingga 0,1N menggunakan algoritma kontrol umpan balik gaya. Ketika digunakan dengan sistem penentuan posisi visual 3D, sistem ini dapat secara otomatis menemukan dan menghilangkan residu penyangga, yang membuat permukaan lebih halus (dari Ra6,3 μm hingga Ra1,6 μm) dan mempercepat pemrosesan sebanyak 10 kali lipat.
Terobosan selektif dalam etsa kimia
Teknologi penghilangan yang didukung elektrokimia yang dikembangkan oleh Arizona State University mencapai pelarutan selektif melalui penciptaan medan potensial diferensial. Dalam sistem baja tahan karat/baja karbon 304, kombinasi larutan asam nitrat 41% berat dan oksigen dapat menghilangkan sepenuhnya penyangga baja karbon setebal 7 mm dalam 6 jam. Ini juga menjaga laju korosi substrat baja tahan karat di bawah 0,002 mm/jam. Teknologi ini telah digunakan untuk membuat implan medis, sehingga memangkas waktu yang diperlukan untuk melepas penyangga dari 48 jam menjadi 8 jam.
Menggunakan algoritme cerdas untuk membuat prediksi tentang cara memperbaiki keadaan
Startup asal Belgia, Materialize, membuat perangkat lunak bernama Magics yang dapat menggunakan model pembelajaran mesin untuk secara otomatis membangun struktur pendukung terbaik. Sistem ini belajar dari 100.000 kumpulan data proses dan dapat memperkirakan bagaimana tekanan termal akan menyebar ke berbagai bentuk. Itu juga dapat mengubah kepadatan dukungan dan area kontak dengan sendirinya. Saat mencetak bagian tertentu dari struktur pesawat, metode dukungan yang dioptimalkan mengurangi penggunaan material sebesar 42% dan-waktu pascapemrosesan sebesar 65%.