Cách thiết kế phù hợp cho in 3D sử dụng thiêu kết Laser kim loại trực tiếp

Cách thiết kế phù hợp cho in 3D sử dụng thiêu kết Laser kim loại trực tiếp

Sản xuất phụ gia là một quá trình bổ sung vật liệu, thường trên cơ sở từng lớp, để tạo ra một vật thể 3D dựa trên việc gia công vật liệu thiết kế hỗ trợ máy tính 3D (CAD). Sản xuất phụ gia còn được gọi là in 3D hoặc tạo mẫu nhanh.

Thiêu kết Laser kim loại trực tiếp (DMLS) là một phương pháp sản xuất phụ gia xây dựng tạo mẫu và các bộ phận kim loại sản xuất bằng cách sử dụng một laser để chọn lọc nung chảy một loại bột kim loại mịn.

Các kỹ thuật sản xuất truyền thống loại bỏ vật liệu khỏi một khuôn mẫu để tạo ra hình dạng mong muốn. Sản xuất phụ gia có khả năng sản xuất các tính năng rất phức tạp và tất cả-trong-một công cụ sẽ khó khăn hơn để đạt được so với các kỹ thuật sản xuất cũ.

Hình ảnh này hiển thị các thành phần chính của máy in 3D DMLS.

Các bước thực hiện:

Bước 1: Cung cấp vật liệu: Cung cấp piston di chuyển lên trên, đặt bột ở phía trước của con lăn.

Bước 2: Thêm một lớp: Con lăn di chuyển qua piston cung cấp, cung cấp bột cho piston thiêu kết.

Bước 3: Thiêu kết: Thiêu kết Laser mặt cắt ngang của từng phần được xây dựng.

Bước 4: Di chuyển Piston: Thiêu kết piston di chuyển theo độ dày của một lớp.

Bước 5: Phân lớp: Quá trình được lặp lại cho đến khi các bộ phận được thiêu kết hoàn toàn.

Bước 6: Phần loại bỏ: Thiêu kết piston tăng lên, cho phép các tấm xây dựng được loại bỏ.

Sử dụng

DMLS tạo ra các bộ phận đầy đủ chức năng từ kim loại như crôm coban, thép không gỉ, titan, Inconel và nhiều loại khác. Các loại DMLS điển hình thuộc các loại sau:

  • Quay vòng nhanh — Các bộ phận DMLS thường được sản xuất trong một đến ba ngày.
  • Độ phức tạp cao – Các bộ phận máy khó khăn, các phần hổ trợ tùy chỉnh, các bộ phận rỗng hoặc nhẹ và các tác phẩm nghệ thuật thuộc thể loại này.
  • Các bản sửa đổi nhanh hoặc liên tục —Các nỗ lực phát triển sản phẩm và thiết kế lặp lại rất phù hợp với DMLS vì không có chi phí thiết lập như trong sản xuất truyền thống.

Chi tiết phức tạp

Một lợi thế quan trọng của DMLS là khả năng tạo ra các chi tiết không thể thực hiện bằng các kỹ thuật sản xuất truyền thống. Việc sản xuất với DMLS có thể thuận lợi nếu các kỹ sư thiết kế các bộ phận với hình dạng phức tạp, chẳng hạn như các tính năng gắn kết tích hợp, các kênh dài và hẹp, các đường viền tùy chỉnh và các cấu trúc lưới kim loại. DMLS cho phép sản xuất các linh kiện theo dạng một sản phẩm, giảm số lượng các bộ phận, thời gian lắp ráp và các lỗi.

Trong các ứng dụng chuyên dụng, trọng lượng của bộ phận là một tiêu chí quan trọng của thiết kế. Sử dụng các quy trình tối giản để sản xuất lưới kim loại hoặc các bộ phận giảm trọng lượng sẽ làm tăng đáng kể thời gian và chi phí sản xuất do lượng vật liệu bị loại bỏ. DMLS là một quá trình tối ưu cho các bộ phận này vì cả thời gian sản xuất và chi phí đều giảm khi khối lượng giảm.

Tốc độ

Tốc độ là một khía cạnh quan trọng của quá trình thiết kế và sản xuất. Cả chất lượng của sản phẩm và thời gian chung cho thị trường đều được thúc đẩy bởi khả năng sản xuất các mô hình vật lý một cách kịp thời cho các thử nghiệm chức năng và phù hợp, đánh giá ngang hàng và phản hồi của thị trường.

Các bộ phận DMLS thường được sử dụng trong các hoạt động trước khi ra mắt để thử nghiệm sản phẩm, trong khi sản phẩm cuối cùng được tạo ra bằng công cụ (ví dụ: đúc khuôn, đúc kim loại, đúc cát). Các bộ phận DMLS thường được sử dụng để xác nhận các thiết kế như là một phần của đảm bảo chất lượng sản phẩm hoàn thiện.

Các bộ phận DMLS không yêu cầu dụng cụ (ví dụ: khuôn, đồ gá lắp, đồng hồ đo, vv), làm giảm thời gian sản xuất ban đầu từ vài tháng đến vài ngày. Do đó, các công nghệ phụ gia như DMLS trình bày một giá trị to lớn cho việc tùy biến và thay đổi sản phẩm bằng cách cung cấp các cách để tạo ra các sản phẩm ngắn, tùy chỉnh mà không phải thay thế công cụ đắt tiền.

Lưu ý

Khi xem xét kỹ thuật sản xuất, một số yếu tố cần xem xét là khối lượng và khả năng thay đổi chi tiết. Nếu một phần thiết kế ổn định, không thay đổi trong suốt cuộc đời của nó, và số lượng lớn, quy trình sản xuất truyền thống sẽ ít tốn kém. Điều này đặc biệt đúng đối với các thiết kế đơn giản không thể hưởng lợi từ các thiết kế phức tạp mà DMLS có khả năng sản xuất.

Kích thước xây dựng có giới hạn

Các máy DMLS có nhiều kích thước khung khác nhau. Hai trong số các khung xây dựng phổ biến là 4 in. × 4 in. × 3 in. Và 10 in. × 10 in. × 12 in. Trong khi các kích thước xây dựng này đủ lớn để xây dựng các chi tiết đủ lớn, phần lớn hơn (thường những cái được sản xuất với số lượng ít hơn) vẫn không thể vừa với khung xây dựng.

Một chi tiết DMLS phức tạp về mặt hình học.

DMLS, là một quy trình in 3D, được liên kết khá khác với sự đơn giản từ các quy trình in 3D khác.

Chuẩn bị thiết kế trước khi gửi tới máy DMLS và quá trình xử lý sau có thể tốn thời gian. Tất cả các quy trình sản xuất hiện đại đều có trước và sau các bước. Ví dụ, CNC yêu cầu lập trình các đường dẫn dao, thiết lập máy, cắt và mài, sau đó đánh bóng và khử sau đó.

Trước khi được gửi đến máy DMLS, một phần cấu trúc hỗ trợ được thiết kế và xây dựng. Bước này có thể mất tối đa một giờ và có thể xác định thành công hay thất bại của công việc.

Xử lý DMLS bao gồm:

  1. Loại bỏ (các) bộ phận ra khỏi đế bằng cưa băng, dây EDM hoặc công cụ cắt quay cầm tay.
  2. Các cấu trúc hỗ trợ sau đó được loại bỏ khỏi chi tiết bằng các dụng cụ cầm tay hoặc gia công CNC.
  3. Các bước hoàn thiện tùy chọn khác:
  4. Đánh bóng
  5. Mài
  6. Gia công – quay, phay, quay mặt, nhấn
  7. Xử lý nhiệt

Cấu trúc hỗ trợ

Các chi tiết DMLS cần cấu trúc hỗ trợ cho:

  • Gắn chi tiết vào khung xây dựng
  • Giảm hoặc loại bỏ cong vênh
  • Hỗ trợ hình học nhô ra

Không giống như các công nghệ phụ gia dựa trên laser và bột khác, các bộ phận DMLS di chuyển xung quanh trong khung xây dựng nếu không được bảo đảm đúng cách khung xây dựng. Sự chuyển động của bộ phận xảy ra khi in một lớp bột mới trên lớp thiêu kết trước đó hoặc các mặt cắt ngang lớn hơn của phần kim loại cong vênh trong quá trình thiêu kết. Chuyển động của bộ phận trong quá trình xây dựng sẽ gây ra lỗi một phần và có khả năng dẫn đến sự cố máy.

Một cấu trúc hỗ trợ nữa được yêu cầu là hỗ trợ hình học nhô ra bởi vì nó sẽ di chuyển các overhands không được hỗ trợ. Ví dụ về các loại hình học này là bề mặt ngang, các lỗ lớn ở mặt ngang, bề mặt góc cạnh, vòm và góc nhọn.

Lưu ý: Một số phương pháp được sử dụng để hỗ trợ góc nhô ra. Tùy thuộc vào chi tiết và các tính năng xung quanh, mỗi phương pháp đều có những điểm tích cực và tiêu cực.

Lực từ con lăn có thể gây ra các chi tiết cao, hẹp để thay đổi trong bản vẽ. Cấu trúc hỗ trợ ngăn các phần chuyển dịch trong bản dựng. Hình học nhô ra có thể yêu cầu cấu trúc hỗ trợ để xây dựng thành công bằng cách sử dụng DMLS: Bề mặt nằm ngang, bề mặt góc cạnh <30 độ, vòm và góc nhọn, các lỗ lớn trên trục ngang.

Chi tiết chắc chắn trong quá trình xây dựng

Trong quá trình xây dựng, các bộ phận phải chịu lực từ việc in và nén các lớp mới. Các bộ phận cao, mỏng dễ bị các lực bên này, gây ra sự thiếu chính xác trong các tính năng của các bộ phận do thiết kế không đúng hoặc thiếu các cấu trúc hỗ trợ.

Tính năng chịu tải

Các tính năng của chi tiết chịu tải đòi hỏi các hướng dẫn thêm về chiều cao so với tỷ lệ cắt ngang để đảm bảo tính toàn vẹn của tính năng không được trình bày trong bài viết này. Nói chung, khi chiều cao của đối tượng tăng lên, độ dày của vỏ ngoài cũng vậy.

Khoảng cách giữa các tính năng

Trong quá trình DMLS, laser tạo ra một không gian làm vật liệu chảy hơi rộng hơn đường kính laser từ nhiệt in vào bột xung quanh. Điều này sẽ gây ra các tính năng gần nhau để liên kết với nhau hoặc tạo ra một chi tiết bột thiêu kết mà không được loại bỏ giữa các khu vực thiêu kết trong một chi tiết. Khoảng cách giữa các đối tượng cần ít nhất là 0,4-0,5mm để loại bỏ hoàn toàn bột và cho phép di chuyển một chi tiết.

Độ chính xác

Các tính năng tích cực có độ chính xác 20-150μm mà không cần xử lý tiến trình. Các tính năng tiêu cực, chẳng hạn như lỗ nhỏ hơn 50mm, thông thường sẽ bị giảm  100- 150μm.

Hoàn thiện bề mặt sẽ thay đổi từ vật liệu đến vật liệu, tuy nhiên một phần chưa hoàn thành sẽ có một bề mặt ngoài từ 2-5 μm RA.

Cách sử dụng thông tin này để điều chỉnh kiểu dáng của bạn:

Giá niêm yết của các bộ phận bị ảnh hưởng nhiều bởi các yếu tố như thiết kế cấu trúc hỗ trợ và loại bỏ hỗ trợ.

Do đó, việc giảm thiểu số lượng cấu trúc hỗ trợ cần thiết sẽ giảm thời gian thiết kế, thời gian xây dựng và xử lý sau khi in cần thiết.

Cách tốt nhất để thực hiện điều này là làm cho thiết kế tự hỗ trợ càng tốt:

  • Góc thiết kế là ≥ 30 độ.
  • Sử dụng đường xoi và đường trên các góc và các tính năng
  • Triển khai các tính năng giảm khối lượng và giảm âm lượng

Ví dụ #1:

Trong ví dụ này, các mặt bích hướng về phía trên cùng của chi tiết sẽ gây ra vấn đề. Bề mặt phía dưới của mặt bích sẽ yêu cầu một dạng hỗ trợ nào đó. Thêm một chamfer hoặc một đường vào góc nhô ra giúp cho nó tự hỗ trợ.

Ví dụ # 2:

Trong ví dụ này góc nghiêng của chi tiết được thay đổi, làm cho nó tự hỗ trợ. Lưu ý rằng góc từ 30 độ. đến 45 độ. sẽ tự hỗ trợ với một số độ nhám bề mặt và góc> 45 độ. sẽ có bề mặt hoàn thiện mượt mà hơn.

Ví dụ # 3:

Giá của các bộ phận DMLS bị ảnh hưởng nhiều bởi thời gian xây dựng và lượng vật liệu được sử dụng.

Tỷ lệ diện tích bề mặt so với thể tích của một chi tiết đóng một vai trò lớn trong việc xác định giá niêm yết của một sản phẩm nhất định. Một chi tiết với khối lượng giảm sẽ cho phép giá thấp hơn bởi vì mất ít thời gian hơn để xây dựng, sử dụng ít vật liệu hơn và có tỷ lệ thành công cao.

Khi khối lượng của một bộ phận bị giảm, hoặc bằng cách thiết kế lại hoặc bằng cách sử dụng một quy trình sản xuất khác để tạo mẫu, giá một chi tiết tổng thể sẽ giảm đáng kể. Trong ví dụ này, các tính năng quan trọng của một khuôn được xây dựng bằng cách sử dụng DMLS và vật liệu xung quanh được nghiền để tiết kiệm chi phí lắp ráp tổng thể.

Ví dụ #4:

Giảm khối lượng và thể tích bằng cách sử dụng các tính năng tự hỗ trợ ở trục tung.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *