A adição e remoção de suportes têm sido um desafio durante a manufatura aditiva de metais (MA). Tomando como exemplo a sinterização direta a laser de metal (DMLS), o modelo precisa ser pré-configurado com estruturas de suporte antes da impressão para evitar deformações causadas por estresse térmico e conduzir o calor para longe da poça de fusão. Esses suportes fazem parte do projeto e fabricação como um todo. Após a construção, a estrutura de suporte foi desmontada e descartada. Sem suportes, é difícil imprimir estruturas em balanço abaixo de um determinado ângulo de inclinação (geralmente em torno de 45 graus), o que muitas vezes limita as opções para usuários de sistemas de impressão 3D de metal, e também traz muitos OEMs de equipamentos e empresas de software de manufatura aditiva. um grande desafio.
Para resolver os problemas acima, especialistas da empresa EOS Additive Minds desenvolveram agora várias técnicas de otimização de processos para produzir peças impressas em 3D sem estruturas de suporte, como anéis de estator, carcaças, turbobombas, tanques de óleo, trocadores de calor, válvulas e rotores, dos quais o rotor fechado é um dos casos mais típicos. Por meio de software de design otimizado e pacotes de parâmetros, a EOS permite que os usuários imprimam cantilevers e pontes em ângulos mais baixos (às vezes até zero), exigindo muito menos ou nenhum suporte.
A manufatura aditiva sem suporte também economiza muito tempo no estágio de pós-processamento, pois nenhum suporte adicional precisa ser removido. No caso da remoção manual, isso também libera tempo e energia dos funcionários para outros trabalhos. A fabricação de peças sem estrutura de suporte também reduz o desperdício de material, pois nada é jogado fora e todos os aspectos da peça e do projeto de suporte são necessários. No entanto, este não é um processo fácil, e especialistas em design de software e fabricantes têm trabalhado no desafio do design sem suporte há anos.
Neste artigo, é mostrado principalmente como os especialistas da EOS utilizam o método não suportado para construir o impulsor. Impulsores fechados ou blindados são usados em muitas indústrias e variam muito em tamanho, forma, material e requisitos de desempenho. Impulsores fechados são frequentemente expostos a condições extremas, como altas velocidades de rotação, meios altamente corrosivos e cargas mecânicas causadas por temperaturas extremas. Por exemplo, aplicações de turbobombas em foguetes espaciais, sistemas de compressão em microturbinas e bombas de água do mar em aplicações de petróleo e gás.
Suporte aos requisitos de design na impressão 3D de metal tradicional
Projetar peças impressas em 3D com suportes tem sido uma abordagem padrão para manufatura aditiva (MA). O número, tamanho e localização dos suportes são determinados por vários fatores:
As tensões residuais durante a impressão podem causar deformação do modelo 3D. Suportes podem ser adicionados para prevenir fisicamente esta deformação;
A interrupção do recobridor afetando a construção intermediária da peça pode vibrar a peça ou causar danos, resultando em um trabalho malsucedido. Os suportes são utilizados para proteger as peças de qualquer influência do recobridor;
A transferência de calor através de suportes permite que as peças esfriem e se formem mais rapidamente e com mais sucesso durante o processo de construção.
Para garantir que uma impressora 3D construa e produza peças com sucesso, vários motivos que afetam o projeto de suporte precisam ser considerados, incluindo:
A orientação da peça determina quanto da peça precisa ser suportada. Normalmente, se as peças forem orientadas de modo que uma área de superfície maior não esteja na placa de construção, será necessário mais suporte para compensar os fatores acima.
Saliências de 45 graus ou menos são geralmente consideradas como exigindo estruturas de suporte.
Canais e furos podem se deformar sem suporte, dependendo de seu tamanho e se estão orientados de forma ineficaz.
Projeto do modelo
Armada com a experiência certa e habilidades criativas de resolução de problemas, a equipe da EOS desenvolveu com sucesso novas maneiras de projetar e construir modelos, quebrando a noção preconcebida de "quedas baixas devem adicionar suporte", com excelentes resultados. O impulsor usado neste artigo para demonstrar a estrutura sem suporte e os recursos do processo DMLS foi projetado pela EOS Additive Minds com um diâmetro de 150 mm com 12 pás com ângulos de balanço de até 10 graus.
Direção de inclinação do membro e estrutura de suporte
Os impulsores geralmente são impressos em uma orientação inclinada para evitar suportes internos, pois são difíceis de remover. No entanto, essa orientação normalmente resulta em tempos de construção mais longos, qualidade de superfície irregular e o arredondamento da peça sofre. A orientação plana oferece várias vantagens, como tempos de construção mais curtos, melhor arredondamento e precisão e uma qualidade de superfície mais uniforme em toda a peça. No entanto, saliências baixas geralmente exigem muito suporte. Para o processo DMLS atual, saliências maiores de menos de 35 graus precisam ser suportadas. Os suportes são necessários para dissipar o calor da poça de fusão para compensar as forças de recobrimento e o estresse interno da peça.
Otimização de design não suportada
O EOS reduz significativamente a necessidade de adicionar suporte interno, aproveitando técnicas avançadas de design de modelo. A otimização do projeto do processo de manufatura aditiva também é outro aspecto importante relacionado ao sucesso da impressão. Embora o suporte interno possa ser evitado principalmente por meio do uso de estratégias de exposição ajustadas, muitas vezes ainda são necessárias estruturas de suporte externo.
No caso do impulsor deste artigo, em vez de usar preenchimento sólido, a parte inferior da peça foi modificada usando arcos autoportantes e paredes finas para garantir uma conexão forte da plataforma e evitar deformações durante a construção. Isso permite o uso de menos material do que os stents convencionais, proporcionando alta resistência e usinabilidade aprimorada. O diâmetro externo do rotor é fechado para proporcionar maior rigidez à peça quando construída e para evitar perda de precisão geométrica na borda de saída. Para este impulsor, um design avançado permite uma redução de material de 15 por cento, sendo otimizado para máquina e autoportante, sem suporte interno.
Processo otimizado
O impulsor é construído usando o chamado método DownSkin de alta energia (o tipo de exposição usado para construir superfícies suspensas). Essencialmente, esse método aumenta a entrada de densidade de energia da exposição do DownSkin aumentando a potência do laser enquanto ajusta outros parâmetros do DownSkin. Isso produz uma poça de fusão maior, mas mais estável, especialmente ao construir saliências em pós soltos. Este método tem sido usado com sucesso para muitos materiais frequentemente usados para fazer impulsores (por exemplo, Ti64, 316L, AlSi10Mg, In718, etc.).
Portanto, pode-se garantir que todos os ângulos críticos possam se beneficiar desse parâmetro otimizado. Ao contrário de outras tecnologias sem suporte, a abordagem DownSkin de alta energia não sacrifica a velocidade de construção e, portanto, o caso de negócios para evitar o suporte.
Na ausência de quaisquer contramedidas, o método DownSkin de alta energia pode resultar em peças superdimensionadas na direção z na região DownSkin devido à poça de fusão profunda. As peças podem ser ajustadas para o tamanho certo por pós-processamento ou ajustando o design. DownSkin também é relativamente áspero, mas a rugosidade é uniforme, o que ajuda com técnicas de acabamento de superfície a granel, como usinagem de fluxo abrasivo. Também quase não há porosidade (veja a imagem abaixo), a porosidade é limitada ao DownSkin. Portanto, as propriedades mecânicas gerais não são afetadas e você ainda pode confiar no processo InFill de alta qualidade desenvolvido pela EOS. Portanto, um processo secundário como a prensagem isostática a quente também não é necessário para obter propriedades mecânicas suficientes.
Pós-processamento (Usinagem de Fluxo Abrasivo, Metais AM)
A usinagem de fluxo abrasivo é uma técnica comum de acabamento de superfície usada para aplicações relacionadas ao fluxo e geometrias internas. A mídia abrasiva é empurrada através da peça presa no acessório. As partículas abrasivas na mídia trituram e polim a superfície ao longo do caminho do fluxo. Como preparação para o acabamento da superfície interna, o diâmetro externo fechado precisa ser usinado em uma abertura, diâmetro e altura da peça ajustados ao acessório para o processo AFM. Após a pré-usinagem, a peça é fixada e o meio abrasivo é empurrado através da peça com a ajuda do grampo. Após o processo AFM, o rotor é usinado no tamanho final.
A peça final tratada com Usinagem de Fluxo Abrasivo (AFM)
Com o avanço contínuo da tecnologia de impressão 3D, as peças metálicas impressas em 3D continuarão a se desenvolver para o mercado consumidor final.