¿Qué impacto tendrá el soporte residual en las piezas metálicas impresas en 3D?

一, Posible peligro de soporte residual a las cualidades mecánicas de las piezas.
1. Concentración de tensiones residuales y riesgo de fisuración.
Cuando se imprime metal en 3D, se pueden acumular fácilmente tensiones residuales en la conexión entre la estructura de soporte y las piezas. Esto se debe a que los coeficientes de expansión térmica son diferentes. Si el soporte residual no se elimina por completo, el lugar donde se concentra la tensión puede ser donde comienza la grieta. Por ejemplo, si no se elimina el soporte residual mientras se imprimen las palas de los motores de aviación, se podría acumular tensión en la punta de la pala. Esto podría provocar grietas por fatiga y limitar la vida útil de las piezas en entornos de servicio de alta-temperatura. La investigación de la Universidad Xi'an Jiaotong demuestra que cuando las piezas de aleación de titanio se soportan con tensión residual sin tratar, su nivel de tensión residual es entre un 30% y un 50% mayor de lo que debería ser, lo que las hace mucho menos resistentes a la fatiga.
2. Materiales desorganizados
El soporte residual podría cambiar la forma en que se estructura el material en el componente. En el proceso de fusión selectiva por láser (SLM), la conexión entre el soporte y la pieza puede generar granos gruesos o estructuras de fase metaestable debido a ciclos de temperatura repetidos. Los investigadores de la Universidad de Beihang utilizaron difracción de retrodispersión de electrones (EBSD) para descubrir que el tamaño de grano que soporta el área residual es de 2 a 3 veces mayor que el del sustrato. Esto hace que el material sea entre un 15% y un 20% menos duro y afecta a su resistencia al desgaste.
3. Desviación de la precisión geométrica
El soporte residual puede cambiar el tamaño de la pieza misma. Si el soporte residual genera una protuberancia superficial de 0,1 mm en implantes médicos de precisión como las copas acetabulares, podría inducir irritación de los tejidos del cuerpo después de la implantación. Un ejemplo del mundo real-de una empresa ilustra que el soporte residual produjo una desviación de dimensión radial de 0,08 mm en un determinado modelo de disco de turbina, lo que estaba fuera del rango aceptable y provocó que fallara todo el conjunto de la máquina.
2. El soporte residual tiene un efecto negativo sobre la calidad de la superficie.
1. La rugosidad de la superficie empeora
El fresado y el pulido con papel de lija son dos soportes mecánicos habituales que pueden dejar rayaduras en la superficie de los objetos. Por ejemplo, los brackets de aleación de cromo cobalto pueden tener un valor de rugosidad superficial Ra de 3,2 μm después de pulirse a mano con papel de lija. Sin embargo, este valor se puede reducir a 0,2 μm mediante pulido electroquímico. Una empresa de dispositivos médicos afirma que las imperfecciones superficiales producidas por los restos de soporte han hecho que sea un 40 % más probable que sea necesario reelaborar los productos y han aumentado los gastos de producción.
2. Riesgo de contaminación química
Si no controla correctamente la concentración de la solución mientras realiza el grabado químico para eliminar el soporte, podría terminar con corrosión uniforme o picaduras. Cuando las piezas de aleación de aluminio se dejan en una solución de grabado ácida durante demasiado tiempo, se desarrollan picaduras de corrosión en la superficie de entre 0,5 y 2 mm de ancho. Esto los hace menos resistentes a la corrosión. Cierta empresa que fabrica piezas de automóviles perdió más de un millón de yuanes en pérdidas económicas directas porque el soporte residual provocó que muchas piezas se corroieran en la superficie.
3. Problemas en la zona de impacto térmico (ZAT)
Cuando se cortan soportes con láser, las altas temperaturas pueden producir capas de refundición superficial. Después del corte por láser, el espesor de la capa refundida de las piezas de aleación de alta temperatura-Inconel 718 puede alcanzar entre 50 y 100 μm. Esto hace que las piezas sean entre un 10% y un 15% menos duras y afecta su resistencia a altas temperaturas. Al ajustar-la configuración del láser (ancho de pulso<10 μ s, peak current<5A), GE Additive has greatly enhanced the quality of the surface by controlling the thickness of the remelted layer to within 20 μ m.
3. Los límites que el apoyo residual impone a la eficiencia y al coste del procesamiento.
1. El precio del tiempo de pos-procesamiento se ha disparado
Puede llevar entre el 30% y el 50% de todo el ciclo de producción procesar piezas estructurales complejas sin ninguna ayuda. Por ejemplo, la carcasa de la cámara de combustión de cierto motor de avión tiene una complicada estructura de soporte interior que tarda 120 horas en despegar a mano. Pero cuando se utilizan materiales de soporte solubles, el tiempo que lleva disolverse se reduce a 8 horas por pieza y la eficiencia aumenta 15 veces.
2. Desperdicio de materiales y problemas de reciclaje
La estructura de soporte consume una gran cantidad de polvo metálico. Por ejemplo, con la tecnología SLM, la cantidad de materiales de soporte puede representar entre el 20% y el 30% de la cantidad total utilizada. Si el soporte sobrante contamina el polvo (por ejemplo, si se mezcla polvo de aleación de titanio con un soporte de acero inoxidable), el coste de reciclaje aumentará entre un 50% y un 100%. Leiming Laser ha reducido en un 40% la cantidad de material de soporte utilizado para un modelo de componente mejorando el diseño del soporte. Esto ahorra a la empresa más de 2 millones de yuanes al año en gastos de pólvora.
3. Costos de desgaste de equipos y mantenimiento
Reemplazar herramientas de soporte mecánico (como muelas abrasivas y fresas) a menudo aumenta el costo de mantenimiento del equipo. Una empresa de fabricación de moldes específica dice que el desgaste de las herramientas causado por el soporte residual ha aumentado los costos de mantenimiento anual en 300.000 yuanes, y que el mantenimiento durante el tiempo de inactividad ha reducido la capacidad de producción en un 15%.
4, Estrategias sistemáticas para ayudar con los problemas sobrantes.
1. Optimización del diseño de la estructura portante.
Optimización de la topología: utilice software de simulación como Magics para crear automáticamente estructuras de soporte livianas que reducirán el área de contacto. Después de cambiar a un diseño de soporte en forma de árbol-, una empresa redujo la cantidad de materiales de soporte que utilizaba en un 60 % y el tiempo que llevaba brindar soporte en un 75 %.
Material que se puede disolver: los soportes-solubles en agua, como el alcohol polivinílico (PVA), se utilizan para disolver y eliminar construcciones complejas de cavidades internas para que no entren en contacto entre sí. El material de soporte PVA para equipos EOS M290 se ha utilizado eficazmente para fabricar piezas de aviones.
2. Tecnología para soporte sin contacto
Soporte con ultrasonido: uso de vibración de alta-frecuencia (20–40 kHz) para romper la estructura de soporte, lo cual es bueno para piezas de precisión. El sistema Sonic Mill puede trabajar con soportes de menos de 0,5 mm de diámetro y una rugosidad superficial inferior a 0,4 μm.
Grabado con plasma: uso de plasma de baja-temperatura (una mezcla de gases Ar y O2) para eliminar selectivamente el soporte sin causar consecuencias térmicas. La solución de pulido magnético de Magnalux se ha utilizado para soportar brackets de aleación de cromo cobalto y la calidad de la superficie cumple con los requisitos médicos.
3. Regulación inteligente de los parámetros de procesamiento
Corte de baja tensión: el corte de alambre (WEDM) utiliza configuraciones con un ancho de pulso de menos de 10 μs y una corriente máxima de menos de 5 A para reducir la entrada de calor. Al optimizar los parámetros, una empresa específica pudo gestionar el espesor de la capa refundida de piezas de aleación de titanio después del corte con un margen de error de 15 μm.
Fresado en capas: para distribuir las fuerzas de corte, se utiliza una técnica de fresado en capas con una profundidad de corte pequeña (<0.2mm) and a high feed rate (>500 mm/min) se utiliza para sistemas de soporte gruesos. Así es como el centro de mecanizado de cinco-ejes de DMG MORI controla la distorsión de la eliminación del soporte dentro de 0,02 mm.
4. Protección y reparación después del procesamiento.
Reparación con revestimiento láser: Para los micro rayones que se producen después de retirar el soporte, se utiliza el mismo material para la reparación del revestimiento láser. La capa de revestimiento tiene un espesor de 10 a 50 μm y una fuerza de unión de más de 400 MPa. Esta tecnología ha sido empleada por un determinado fabricante de piezas de aviación para devolver la dureza de la superficie de las piezas a más del 95% del valor de diseño.
Pulido electroquímico: uso de un electrolito (como una mezcla de ácido fosfórico y ácido sulfúrico) para disolver selectivamente las protuberancias de la superficie y obtener un acabado suave. Después del pulido electroquímico, la rugosidad superficial Ra de las piezas de aleación de titanio se puede reducir de 3,2 μm a 0,2 μm y su resistencia a la corrosión se puede aumentar tres veces.