Indirecte Fabrication van Lattice Metals met slijpplaatjes behulp Centrifugal Casting
14 mei 2016
Een indirecte additive manufacturing combineren van een 3D printen van polymeren met een centrifugaal gieten wordt beschreven voor het vervaardigen van 3D octet truss metalen (Al en Cu legering) met een eenheidscel lengte van 5 mm met een wanddikte van 0,5 mm.
Het algemene doel van deze video is om het proces van het vullen van een cellulaire microholte met gesmolten metaal te demonstreren voor de fabricage van roostermetalen door middel van centrifugaalgieten. Deze boodschap kan helpen bij het beantwoorden van belangrijke vragen, zoals hoe de procesparameters, materiaaleigenschappen van gesmolten metaal en de geometrie van de holte van het roostervormgat gecorreleerd zijn met de stroming en stolling in snel microgieten. Deze techniek vult direct 3D-printen van massieve metalen aan, in het vervaardigen van roostermetalen en breidt de materiaalkeuze uit in de ontwerpruimte van roostermetalen.
Vandaag zal ik de procedure demonstreren met doctoraatsstudent Jiwon Mun. Ter voorbereiding, teken een opofferbaar patroon van een octet-trusstructuur met een spruitstelsel met behulp van computerondersteund ontwerpsoftware. Dit geïntegreerde patroon van een octet-trusstructuur met een spruitstelsel wordt gesmolten tijdens het gieten.
Gebruik de CAD-software om het volume van het opofferbaar patroon vast te leggen om de vereiste metaalmassa te berekenen. Na het printen van het acrylmodel, gaat u verder met het gietproces, dat gedetailleerd is beschreven in het tekstprotocol. De volgende stap is het uitlaten van het ondersteunende materiaal.
Daarna wordt het residu van het ondersteunende materiaal verder verwijderd. Vervolgens wordt het patroon geassembleerd. Na de assemblage wordt een investeringsmengproces uitgevoerd.
Zorg ervoor dat alle klonten in het investeringswatermengsel worden verwijderd. Vervolgens is er het uitbrandproces. Om te beginnen, stelt u de tijd in op de oven volgens het verwarmings- en koelschema.
Voor een vat van deze grootte duurt het uitbranden zes uur. Schakel nu de oven in en start het uitbrandschema. Tijdens het uitbranden smelt het opofferbaar patroon en dissocieert het in een gas.
Ga nu verder met het gietproces dat in de volgende twee secties wordt beschreven. Zorg ervoor dat de arm van de centrifugaalgietmachine met een hoeksnelheid van 425 RPM draait voordat u begint. Zoek de instelling die voor deze snelheid nodig is met behulp van een toerenteller.
Selecteer een keramische crucibel om elk legering te smelten. Gebruik een metaalsnijder om de legeringen in stukken van 10 millimeter tot 20 millimeter te snijden. Snijd ongeveer 150 gram van elk legering, wat in dit geval aluminium en koper zijn.
Weeg nu de precieze massa van elk legering af die nodig is voor het roosterontwerp. De holte van het patroon moet nauwkeurig worden gevuld met gesmolten legering. Neem nu een emmer water op kamertemperatuur klaar.
30 liter is voldoende. Trek vervolgens brandwerende kleding aan en doe handschoenen en veiligheidsbril aan. Neem nu het gipsvorm tijdelijk uit de oven.
Plaats het in de vatwieg van de centrifugaalgietmachine en balanceer de arm van de centrifuge. Plaats vervolgens de gipsvorm terug in de oven en begin met het verwarmen van de machine tot 482 graden Celsius. Plaats ondertussen de crucibel in de crucibelhouder en laad het gesneden legering in de crucibel.
Richt vervolgens de acetyleenbrander op. Open de klep van de aangesloten zuurstoftank en houd de gasdruk dicht bij 96,5 kilopascal of 14 PSI. Steek vervolgens voorzichtig de brander aan en controleer de intensiteit van de vlam met de gasdruk.
Wees heel voorzichtig. De vlam komt op tot 1.200 graden Celsius. Smelt nu voorzichtig het gesneden legering in de crucibel totdat het volledig is vloeibaar gemaakt.
Gebruik een koolstofstaaf om het legering te roeren en het te smelten met het neutrale deel van de vlam van de brander. Het juiste smelten van het metaal is cruciaal, want als het metaal te koud is, zal het niet de hele vorm vullen. Maar als het te heet is, zal de toenemende porositeit structurele problemen veroorzaken.
Neem nu de voorverwarmde gipsvorm uit de oven en laad het in de vatwieghoudende arm naast de crucibel met het gesmolten legering. Sluit het deksel van de machine en laat de arm minimaal drie minuten draaien. De machine begint automatisch te draaien wanneer het deksel wordt gesloten.
Ongeveer 420 RPM creëert een inlaatsnelheid bij de vormholte van 8,03 meter per seconde, zoals berekend door de macroscopische deeltjesdynamica en de hoeksnelheid. Na drie minuten schakel de stroom naar de centrifugaalgietmachine uit. Open vervolgens het deksel en verwijder de gipsvorm met behulp van een tang uit de vatwieg.
Laat de vorm afkoelen op kamertemperatuur gedurende 15 tot 20 minuten, totdat de kleur van het legering terugkeert naar die van zijn vaste fase. Doof vervolgens de gipsvorm met behulp van een tang in de wateremmer gedurende ongeveer vijf minuten. Wanneer de vorm bijna op kamertemperatuur is, is deze volledig gedoofd.
Nu, om het roostermetaal binnen de mal te verkrijgen, lost u de mal gewoon op in water. De Jibsen-mal zal binnen twee minuten gemakkelijk oplossen. Nabewerking is nu mogelijk, zoals het schoonmaken door straalbehandeling, dat wordt beschreven in het tekstprotocol.
Zorg ervoor dat u de beschreven straalbehandelingsdruk gebruikt, omdat de mallen enigszins kwetsbaar zijn, vooral de aluminium octet-trus met dunne wanden. Met behulp van de indirecte additieve fabricage die in het protocolgedeelte is beschreven, werden aluminium en koperlegeringen gebruikt om octet-trusmetalen te vervaardigen. Het uitbrandproces duurde zes uur om het opofferbaar patroon uit te smelten.
Na het centrifugaalgietproces waren de uiteindelijke producten octet-trusmetalen gemaakt met aluminium en koperlegeringen. Het gesmolten aluminiumlegering vulde de gehele roostervormholte volledig zonder een misloop. Aan de andere kant leek het gesmolten koperlegering een gietdefect te hebben veroorzaakt door voortijdige stolling in het vroege stadium van de injectie van gesmolten metaal bij de inlaat.
Na het bekijken van deze video,
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit artikel beschrijft een indirecte additieve productiemethode die 3D-printen van polymeren combineert met centrifugaalgieten om 3D-octettruss-metalen te creëren. Het proces richt zich op de vervaardiging van aluminium- en koperlegeringen met specifieke afmetingen.
Belangrijkste componenten van de studie
Wetenschappelijk vakgebied
- Materiaalkunde
- Additive Manufacturing
- Metallurgie
Achtergrond
- De studie onderzoekt de fabricage van rooster-metalen met behulp van geavanceerde productietechnieken.
- Het benadrukt het belang van procesparameters en materiaaleigenschappen bij het gieten van metaal.
- De integratie van 3D-printen met centrifugaalgieten breidt de ontwerp-mogelijkheden uit.
- Kennis van de stroming en stolling bij microgieten is cruciaal voor een succesvolle fabricage.
Doel van de studie
- Om het proces van het vullen van een cellulaire microcaviteit met gesmolten metaal te demonstreren.
- Om de correlatie tussen procesparameters en materiaaleigenschappen te onderzoeken.
- Om de productie van rooster-metalen te verbeteren via innovatieve technieken.
Gebruikte methoden
- Gebruik van computerondersteunde ontwerpsoftware voor het maken van opofferingspatronen.
- 3D-printen van polymeermallen voor gieten.
- Centrifugaalgieten van gesmolten metalen in ontworpen mallen.
- Analyse van stroom- en stolingsdynamiek tijdens het gietproces.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle demonstratie van het vullen van microholtes met vloeibaar metaal.
- Identificatie van sleutelparameters die het gietproces beïnvloeden.
- Uitbreiding van de materiaalselectie voor het ontwerp van metalen roosterstructuren.
- Validatie van de geïntegreerde productietechniek.
Conclusies
- De gecombineerde methode verbetert de fabricage van complexe roosterstructuren.
- Procesparameters hebben een significante invloed op de kwaliteit van het eindproduct.
- Deze aanpak opent nieuwe wegen voor materiaalontwerp in additieve productie.
Veelgestelde vragen
Industriële relevantie voor directie
Deze indirecte additieve productiemethode maakt kosteneffectieve productie van complexe metalen roosterstructuren mogelijk en pakt hiermee de beperkingen van directe metaal-AM aan, zoals hoge kosten en materiaalinperkingen. Door 3D-geprinte offerpatronen te combineren met centrifugaal gieten, breidt deze methode de materiaalkeuze uit en ondersteunt het het snelle prototypen van lichtgewicht structuren. Het biedt een schaalbare weg voor de vroege evaluatie van roostergeometrieën in workflows voor materiaalondekking.
Strategische toepassingen in biofarmaceutische R&D
Vroege ontdekking & targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt onderzoek mogelijk naar structuur-eigenschaprelaties in roosterarchitecturen voor het ontwerp van biomimetische materialen.
- Operationele waarde: Ondersteunt snelle iteratie van roostergeometrieën middels polymeerprinten voordat er wordt overgegaan op metaal.
Screening & Assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Produceert reproduceerbare rooster-metaalmonsters met een gecontroleerde wanddikte en eenheidsceldimensies voor mechanische tests.
- Operationele waarde: Standaardiseert de monsterbereiding via nauwkeurige berekening van het volume van het opofferingspatroon en centrifugale gietparameters.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Faciliteert de evaluatie van roosterstelsels van aluminium- en koperlegeringen voor potentieel gebruik in implanteerbare toepassingen of medische hulpmiddelen.
- Operationele waarde: Maakt het mogelijk om gietdefecten gerelateerd aan voortijdige stolling te beoordelen, wat bijdraagt aan procesoptimalisatie voor translationele betrouwbaarheid.
Pipeline- en workflowintegratie
De methode past binnen de workflows van vroege ontdekking tot preklinisch onderzoek door een brug te slaan tussen digitaal ontwerp en fysieke validatie van metalen roosterprototypes.
- Ontdekkingsbiologie: Ondersteunt hypothesetoetsing over hoe roostergeometrie de mechanische respons beïnvloedt in gesimuleerde fysiologische omgevingen.
- Screening: Levert kwantificeerbare resultaten op, zoals dimensionale getrouwheid en defectvorming onder gecontroleerde procesparameters.
- Analytiek: Maakt correlatie mogelijk tussen centrifugalsnelheid (425 RPM), smelttemperatuur (482°C) en stroomsnelheid (8,03 m/s) met het succes van het gieten.
- Translationeel onderzoek: Benadrukt materiaalspecifieke uitdagingen, zoals voortijdige stolling van koperlegeringen, wat cruciaal is voor risicobeoordeling bij de ontwikkeling van hulpmiddelen.
- Bedrijfsmatige herbruikbaarheid: Vestigt een herbruikbaar platform waarbij opofferingspatronen kunnen worden herontworpen voor verschillende roostersystemen zonder de kerninfrastructuur voor het gieten te wijzigen.
Operationele impact en impact op de organisatie
- Wetenschappelijke waarde: Vermindert mechanische ambiguïteit bij het koppelen van verwerkingsparameters aan de uiteindelijke integriteit van het rooster.
- Operationele waarde: Verbetert de reproduceerbaarheid via identificeerbare stappen: meting van het patroonvolume, zes uur uitbranden en gecontroleerde afschrikking.
- Strategische waarde: Verlaagt de kapitaaldrempel voor het onderzoeken van rooster-metalen door directe metaal-AM-apparatuur te vermijden.
- Impact op portfolio: Maakt go/no-go-beslissingen mogelijk over rooster-materiaalsystemen op basis van het succes van het gieten en de structurele getrouwheid.
Overwegingen voor implementatie
- Vereist expertise in CAD-ontwerp, polymeer 3D-printen en veiligheidsprotocollen voor metaalgieten.
- Toegang tot centrifugaalgietsystemen met een vermogen van 425 RPM, ovens voor uitbranden bij 482°C en metaalsmelten via een acetyleenbrander is noodzakelijk.
- Standaardisatie van het mengen van de gietmassa en de uitbrandingsschema's tussen teams is vereist om de integriteit van de mal te waarborgen.
- Aanpassing van procesparameters is vereist bij het wijzigen van de roostergeometrie of het legeringssysteem (bijv. Al versus Cu).
- Beperkt door de fragiliteit van de mal tijdens de nabewerking, in het bijzonder voor dunwandige aluminium roosters waarvoor zandstralen onder lage druk noodzakelijk is.
