La adición y eliminación de soportes ha sido durante mucho tiempo un desafío durante la fabricación aditiva (FA) de metal. Tomando como ejemplo la sinterización directa de metal por láser (DMLS), el modelo debe preestablecerse con estructuras de soporte antes de la impresión para evitar la deformación causada por el estrés térmico y alejar el calor del baño fundido. Estos soportes forman parte del diseño y la fabricación en su conjunto. Después de la construcción, la estructura de soporte fue desmantelada y desechada. Sin soportes, es difícil imprimir estructuras en voladizo por debajo de un cierto ángulo de inclinación (generalmente alrededor de 45 grados), lo que a menudo limita las opciones para los usuarios de sistemas de impresión 3D de metal, y también atrae a muchos fabricantes de equipos originales y empresas de software de fabricación aditiva. un gran reto
Para resolver los problemas anteriores, los expertos de la empresa EOS Additive Minds ahora han desarrollado varias técnicas de optimización de procesos para producir piezas impresas en 3D sin estructuras de soporte, como anillos de estator, carcasas, turbobombas, tanques de aceite, intercambiadores de calor, válvulas e impulsores, de los cuales el impulsor cerrado es uno de los casos más típicos. A través de software de diseño optimizado y paquetes de parámetros, EOS permite a los usuarios imprimir voladizos y puentes en ángulos más bajos (a veces incluso cero), lo que requiere muchos menos soportes o ninguno.
La fabricación aditiva sin soporte también ahorra mucho tiempo en la etapa de posprocesamiento, ya que no es necesario quitar soportes adicionales. En el caso de la extracción manual, esto también libera tiempo y energía de los empleados para otras tareas. La fabricación de piezas sin una estructura de soporte también reduce el desperdicio de material, ya que no se tira nada y todos los aspectos del diseño de la pieza y el soporte son necesarios. Sin embargo, este no es un proceso fácil, y los expertos en diseño de software y los fabricantes han estado trabajando en el desafío del diseño sin soporte durante años.
En este artículo, se muestra principalmente cómo los expertos de EOS utilizan el método sin soporte para construir el impulsor. Los impulsores cerrados o envueltos se utilizan en muchas industrias y varían ampliamente en tamaño, forma, material y requisitos de rendimiento. Los impulsores cerrados a menudo están expuestos a condiciones extremas, como altas velocidades de rotación, medios altamente corrosivos y cargas mecánicas causadas por temperaturas extremas. Por ejemplo, aplicaciones de turbobombas en cohetes espaciales, sistemas de compresión en microturbinas y bombas de agua de mar en aplicaciones de petróleo y gas.
Compatibilidad con los requisitos de diseño en la impresión 3D de metal tradicional
El diseño de piezas impresas en 3D con soportes ha sido un enfoque estándar para la fabricación aditiva (AM). El número, el tamaño y la ubicación de los soportes están determinados por una serie de factores:
Las tensiones residuales durante la impresión pueden provocar la deformación del modelo 3D. Se pueden agregar soportes para prevenir físicamente esta deformación;
La interrupción del repintado que afecta la construcción intermedia de la pieza puede hacer vibrar la pieza o causar daños, lo que resulta en un trabajo fallido. Los soportes se utilizan para proteger las piezas de cualquier influencia del repintado;
La transferencia de calor a través de los soportes permite que las piezas se enfríen y se formen más rápido y con más éxito durante el proceso de construcción.
Para garantizar que una impresora 3D construya y produzca piezas con éxito, se deben considerar una variedad de razones que afectan el diseño del soporte, que incluyen:
La orientación de la pieza determina qué parte de la pieza necesita apoyo. Por lo general, si las piezas están orientadas de modo que no haya un área de superficie más grande en la placa de construcción, se requiere más soporte para compensar los factores anteriores.
Generalmente se considera que los voladizos de 45 grados o menos requieren estructuras de soporte.
Los canales y orificios pueden deformarse sin apoyo, según su tamaño y si están orientados de manera ineficaz.
diseño de modelo
Armado con la experiencia adecuada y habilidades creativas para resolver problemas, el equipo de EOS ha desarrollado con éxito nuevas formas de diseñar y construir modelos, rompiendo la noción preconcebida de que "las caídas bajas deben agregar soporte", con excelentes resultados. El impulsor utilizado en este artículo para demostrar la estructura sin soporte y las capacidades del proceso DMLS fue diseñado por EOS Additive Minds con un diámetro de 150 mm con 12 álabes con ángulos salientes de hasta 10 grados.
Dirección de inclinación del miembro y estructura de soporte.
Los impulsores generalmente se imprimen en una orientación inclinada para evitar los soportes internos, ya que son difíciles de quitar. Sin embargo, esta orientación generalmente da como resultado tiempos de construcción más largos, calidad superficial irregular y la redondez de la pieza sufre. La orientación plana ofrece varias ventajas, como tiempos de construcción más cortos, mejor redondez y precisión, y una calidad superficial más uniforme en toda la pieza. Sin embargo, los voladizos bajos suelen requerir mucho apoyo. Para el proceso DMLS actual, es necesario admitir voladizos mayores de menos de 35 grados. Se requieren soportes para disipar el calor del baño de fusión para compensar las fuerzas de recubrimiento y la tensión interna de la pieza.
Optimización de diseño no compatible
EOS reduce significativamente la necesidad de agregar soporte interno al aprovechar técnicas avanzadas de diseño de modelos. La optimización del diseño del proceso de fabricación aditiva también es otro aspecto importante que se relaciona con el éxito de la impresión. Si bien el apoyo interno puede evitarse principalmente mediante el uso de estrategias de exposición ajustadas, a menudo todavía se requieren estructuras de apoyo externo.
En el caso del impulsor de este artículo, en lugar de usar relleno sólido, la parte inferior de la pieza se modificó usando arcos autoportantes y paredes delgadas para garantizar una fuerte conexión con la plataforma y evitar la deformación durante la construcción. Esto permite el uso de menos material que los stents convencionales al mismo tiempo que proporciona alta resistencia y maquinabilidad mejorada. El diámetro exterior del impulsor está cerrado para proporcionar mayor rigidez a la pieza cuando se construye y para evitar la pérdida de precisión geométrica en el borde de salida. Para este impulsor, un diseño avanzado permite una reducción de material del 15 por ciento, al mismo tiempo que está optimizado para la máquina y es autoportante, sin soporte interno.
Optimización de Procesos
El impulsor se construye usando el llamado método DownSkin de alta energía (el tipo de exposición que se usa para construir superficies sobresalientes). Esencialmente, este método aumenta la entrada de densidad de energía de la exposición de DownSkin al aumentar la potencia del láser mientras se ajustan otros parámetros de DownSkin. Esto produce un baño de fusión más grande pero más estable, especialmente cuando se construyen voladizos sobre polvos sueltos. Este método se ha utilizado con éxito para muchos materiales que se utilizan a menudo para fabricar impulsores (p. ej., Ti64, 316L, AlSi10Mg, In718, etc.).
Por lo tanto, se puede asegurar que todos los ángulos críticos pueden beneficiarse de este parámetro optimizado. A diferencia de otras tecnologías sin soporte, el enfoque DownSkin de alta energía no sacrifica la velocidad de construcción y, por lo tanto, el caso comercial para evitar el soporte.
En ausencia de contramedidas, el método DownSkin de alta energía puede generar piezas sobredimensionadas en la dirección z en la región de DownSkin debido al profundo baño de soldadura. Las piezas se pueden ajustar al tamaño correcto mediante el procesamiento posterior o ajustando el diseño. DownSkin también es relativamente áspero, pero la rugosidad es uniforme, lo que ayuda con las técnicas de acabado de superficies a granel, como el mecanizado de flujo abrasivo. Además, apenas hay porosidad (ver imagen a continuación), la porosidad se limita a DownSkin. Por lo tanto, las propiedades mecánicas generales no se ven afectadas y aún puede confiar en el proceso InFill de alta calidad desarrollado por EOS. Por lo tanto, tampoco se requiere un proceso secundario como el prensado isostático en caliente para obtener suficientes propiedades mecánicas.
Posprocesamiento (maquinado de flujo abrasivo, metales AM)
El mecanizado por flujo abrasivo es una técnica común de acabado de superficies que se utiliza para aplicaciones relacionadas con el flujo y geometrías internas. El medio abrasivo se empuja a través de la parte sostenida en el accesorio. Las partículas abrasivas en los medios muelen y pulen la superficie a lo largo de la trayectoria del flujo. Como preparación para el acabado de la superficie interior, el diámetro exterior cerrado debe mecanizarse en un diámetro abierto y la altura de la pieza ajustada al accesorio para el proceso AFM. Después del premecanizado, la pieza se sujeta y los medios abrasivos se empujan a través de la pieza con la ayuda de la abrazadera. Después del proceso AFM, el impulsor se mecaniza al tamaño final.
La pieza final tratada con Abrasive Flow Machining (AFM)
Con el continuo avance de la tecnología de impresión 3D, las piezas metálicas impresas en 3D seguirán desarrollándose hacia el mercado de consumo final.