Fabrication indirecte de Lattice Metals avec sections minces utilisant Coulée centrifuge

Summary

Un procédé de fabrication d'un additif indirect combinant une impression en 3D de polymères avec une coulée centrifuge est décrite pour la fabrication de métaux en treillis d'octets 3D (Al et alliages de Cu) ayant une longueur de maille de 5 mm, avec une épaisseur de paroi de 0,5 mm.

Abstract

Une des méthodes typiques pour la fabrication de métaux en treillis 3D est la fabrication (AM) processus additif direct de métal tel que le laser sélectif de fusion (SLM) et faisceau d'électrons de fusion (EBM). En dépit de sa capacité de traitement potentiel, la méthode AM directe présente plusieurs inconvénients tels que le coût élevé, la mauvaise finition de surface des produits finis, limitation dans le choix des matériaux, le stress thermique et des propriétés anisotropes de pièces. Nous proposons une méthode rentable pour la fabrication de métaux en treillis 3D. L'objectif de cette étude est de fournir un protocole détaillé sur la fabrication des métaux en treillis 3D ayant une forme complexe et une épaisseur de paroi mince, par exemple, truss d'octets en Al et alliages de Cu ayant une longueur de cellule unitaire de 5 mm et une épaisseur de paroi cellulaire de 0,5 mm. Une procédure expérimentale globale est divisée en huit sections: (a) l'impression 3D de motifs sacrificiels (b) à l'état fondu à partir de matériaux de support (c) de l'élimination des résidus de matériaux de support (d) motif assembly (e) l'investissement (f) burn-out des motifs sacrificiels (g) centrifuge coulée (h) de post-traitement pour les produits finaux. La technique AM indirecte proposée offre la possibilité de fabriquer des métaux en treillis ultra-légers;. Par exemple, des structures en treillis avec les alliages d' Al. Il apparaît que les paramètres du procédé doivent être correctement contrôlées en fonction des matériaux et la géométrie du réseau, en observant les produits finaux des métaux octet en treillis selon la technique AM indirecte.

Introduction

Les métaux sont les métaux cellulaires constitués d'un réseau interconnecté de supports solides ou de plaques et ont des micro-architectures complexes avec des vides ^1. Des exemples comprennent à la fois i) des mousses stochastiques structurés de façon aléatoire et ii) commandé périodiquement en deux dimensions (2D) honeycombs et en trois dimensions (structures en treillis 3D) en treillis. Ils ont reçu l' attention en raison de leur rigidité spécifique élevée et la force ^1-3 et haute résilience spécifique ^4-5, une excellente absorption d'énergie pour la charge d' impact ^6, isolation acoustique ^7, possible conception de dissipateurs de chaleur et des échangeurs de chaleur ^8. En particulier, les structures en treillis commandés périodiquement ont le potentiel pour concevoir les propriétés supérieures avec une capacité de contrôler la géométrie interne du réseau poreux.

En raison de leur géométrie complexe du réseau poreux interne, il est difficile de fabriquer des métaux cellulaires en utilisant le soustractive classique machining. À ce titre, les chercheurs ont commencé à chercher des méthodes alternatives pour fabriquer des métaux cellulaires: la formation de gaz dans le métal liquide ou mélange de poudre de métal avec des agents d' expansion ont été explorées pour la fabrication de formes métalliques stochastiques ^9. En raison du manque de contrôle sur la topologie de la cellule, il est difficile d'adapter les propriétés mécaniques. Alternativement, les méthodes pour les métaux cellulaires commandés périodiquement de fabrication ont été explorées: éradiquons minces feuilles de métal dans une forme ondulée puis en les joignant à créer des structures périodiques ^10, collage fendu feuilles métalliques ^11, extrusion ^12, le tissage et flamboyants filaments métalliques pour fabriquer des textiles ^13. Même si ces méthodes de fabrication offrent des modèles reproductibles, les modèles sont encore limités dans la direction plane. Dans un effort pour générer 3D répétition de motifs, les chercheurs ont commencé à utiliser la fabrication additive (AM); par exemple, Selective Laser Melting (SLM) ^14, faisceau d' électrons de fusion (EBM) <sup> 15, et frittage laser direct-Métal (DMLS) ^16. En dépit de leur capacité à fabriquer 3D ordonné des géométries de réseau complexes, il existe encore quelques limitations: la difficulté à utiliser des métaux avec une conductivité thermique élevée et la réflectivité optique élevée ^17, haute contrainte résiduelle thermique ^18, mauvaise finition de surface avec le phénomène «Balling» au cours de laser ou d' électrons fusion ¹⁹ propriétés anisotropes ^20-21 de pièces causées par un effet combiné de la fabrication en couches, la formation anisotrope de grains, de taille de la poudre, la puissance et la vitesse du laser ou par faisceau d' électrons ^15, de forte consommation d'énergie, etc numérisation.

La combinaison de polymère AM à base de coulée de métal peut fournir une méthode alternative pour la fabrication de métaux en treillis. On peut appeler cela «AM indirecte». AM indirecte peut fournir une solution pour résoudre les problèmes techniques AM directe des métaux mentionnés ci-dessus. Plusieurs efforts ont été made la fabrication des métaux du réseau à l' aide indirecte SUIS combinant l' impression 3D de polymères avec gravité sur la base coulée ^22-25, par exemple, une coulée d'investissement combinée à la modélisation des dépôts fondu (FDM) pour fabriquer un alliage de réseau ^22-25 ou du sable de coulée combinée avec une poudre de sable AM ²³ sur la base. La coulée en fonction de la gravité semble rester un défi technique pour surmonter – misrun et de la porosité provoquée par la solidification soudaine de métaux en fusion quand ils rencontrent des structures de réseau avec des coins pointus de moules structurels treillis ^25-26. Relativement grande surface de moules de structure en treillis semble également contribuer à un refroidissement brusque, entraînant une solidification prématurée ^25-26.

Dans cette étude, nous proposons une AM indirecte alternative qui peut surmonter la misrun lors de la fabrication des métaux en treillis – coulée centrifuge à une cavité de moule en treillis par un motif de polymère en treillis sacrificielle 3D imprimé. Nous utilisons un numériquetraitement de la lumière (DLP) Méthode d'impression 3D à base de construire un modèle sacrificiel structurel réseau suivie par coulée centrifuge d'Al et alliages de Cu. L'objectif de cette étude est de fournir un protocole détaillé sur la fabrication des métaux en treillis 3D ayant une forme complexe et une épaisseur de paroi mince. La principale contribution de ce processus est de fournir une occasion d'étendre la sélection des matériaux à faible coût de fabrication pour la fabrication de métaux en treillis.

Protocol

1. Planification de l'expérience Dessinez un modèle sacrificiel (une structure en treillis d'octets avec un système de coulée) en utilisant la conception assistée par ordinateur (CAO) comme le montre la Figure 1 et enregistrez le modèle CAO en tant que format de fichier STL. Remarque: le motif est un motif sacrificiel intégré de la structure en treillis d'octets avec un système de canal de coulée qui sera finalement fondu pour la coulée. Parce que le modèle sacr…

Representative Results

En utilisant la fabrication d'additif indirect décrit dans la section de protocole, Al et alliages de Cu ont été utilisés pour les métaux de fabrication octet de treillis, comme représenté sur la figure 1 le procédé de coulée entier est résumée à la figure 2 La procédure consiste en huit sections:.. (A) sacrificiel motif d'impression (b) de fusion du matériau de support (c) d'enlèvement de résidus de matériau de support (d) …

Discussion

Pour la coulée de métal classique, il est important de garder l'écoulement du métal fondu lisse et rationalisé en «laminaire» dans la cavité du moule et plutôt éviter un écoulement irrégulier et agité généralement observé dans un écoulement turbulent ^27. Par conséquent, il est important de concevoir correctement l'entrée du système de descente de coulée associé à la vitesse de rotation d'un bras centrifuge pour maintenir l'écoulement de métal fondu à l'intérieur …

Materials

Motorized centrifugal casting machine	Rey Motorized Centrifugal Casting Machine, Rey Industries Inc.		Made in U.S.A. by Rey industries, Inc. Dallas, TX 75220
Gypsum powder	Satin Cast 20, FindingKing Kerr	7960	Gypsum powder is used to make the investment mixture
Ployjet 3D printer	Projet HD3500 Plus, 3D Systems		This polymer based 3D printer to print out sacrificial pattern for casting.
Cartridge materials – UV curable and castable acrylic plastic	VisiJet Procast, 3D Systems		This is castable material that is going to be burn out before casting
Cartridge materials- support material	VijiJet S300, 3D Systems		This is support material that is going to be removed before pattern assemble
Ancient Bronze Casting Grain	Rio Grande	706051	This true bronze grain contains no zinc. Highly fluid, it melts quickly, casts cleanly and provides a good balance between strength and durability. The warm, deep-bronze color has rich red undertones, and the alloy takes a good patina. Composition is 90% copper with an amount of tin; fits into the CDA#90700 category. This grain is sold in 1-lb. packages.
Aluminum Round Wire, 1/8", 1-Lb. Spool, Dead Soft	Rio Grande	134700	Lightweight and strong, aluminum wire is an economical and versatile choice. Not as bright-white as silver, aluminum offers a warmer tone much like that of platinum. Solder ONLY with low-temp solders such as Stay-Brite; suitable for both pulse-arc and laser welding. This quality aluminum wire is packaged on 1-lb. spools.
Computer aided design software (Pro-e)			This software can be replaced with the others such as Auto CAD, Catia, and so on.
ProJet Finisher 1-A	3D Systems		This machine is used to melt the support material.
160 Watt 2.5 Liters Digital Ultrasonic Cleaner with Timer Heater Rings Tools	Chicago, Electric, Power Tools		85 oz. capacity, Five cleaning cycles: 90, 180, 280, 380 and 480 seconds, Clean with or without heat, Easy-to-read LED digital timer, Clear-view window
Fan	Honeywell Inc.	HT-800	120V A.C., 60Hz., 0.85A. TP
Paraffin wax for wax sheet – Modeler's Pink Wax Sheet, 3" by 6", 24-Ga.	Rio Grande	700075	Sheet wax is flexible and can be cut or formed into any shape. It’s ideal for designing since you can draw or trace directly onto the sheet; choose green or pink depending on which will best show your designs. High manufacturing standards ensure exceptional consistency and significant price savings. Value is enhanced by larger package quantities at the same price as the smaller packages available elsewhere. Each 8-oz. package contains approximately 30 sheets.
Paraffin wax for wax stick – Modeler's Medium Red Sprue Wax, 8-Ga	Rio Grande	700741	A pliable, softer sprue wax than the firm blue. Good for forming gates and sprues and burns out cleanly with no residue.
Alcohol Lamp	Rio Grande	700008	Use this lamp to heat wax-working tools or as a flame polisher. The heavy glass reservoir has faceted sides to allow it to be tipped for angling the flame. A screw adjustment for the 7" x 3/16" wick controls the height of the flame. A safety cap snuffs the flame and prevents fuel evaporation. For the best flame, use methyl alcohol fuel. Replacement wicks available. Reservoir holds 5 oz. (150ml) of fuel.
Wax carving tool set – Soft Grip Wax Carvers, Set of 10	Rio Grande	700329	This boxed set offers the best in cutting and shaping technology. Each of these ten high-quality steel wax-carving tools features a 5/16" PVC covered handle that ensures a sure, comfortable grip through hours of work and all have sharp edges for shaping and fine detailing. Sharpen or custom-shape each tool to fit your needs. These tools provide exceptional tool strength and deliver excellent results. This set comes in a hinged, foam-lined wood box.
Rubber Mixing Bowl, 1-1/2 Qt.	Rio Grande	702131	This highly-flexible vulcanized rubber bowl is easy to grip, will not be marred by a spatula and cleans with ease.
Pyrex Beaker, 1,000ml	Rio Grande	335040	Ideal for holding and heating bath plating solutions, this genuine Pyrex glass beaker is sturdy and durable.
Rio Premium Stainless Steel Flask, 2-1/2" dia.	Rio Grande	70201514	This solid, #304-quality stainless steel flask is corrosion-resistant, durable for a long service life and performs under extreme temperature without distortion.
CAST/T Ceramic Casting Crucible, 450g	Rio Grande	705047	Made exclusively for the CAST/T centrifugal casting machine, this crucible is designed with an angled base that slides into the hinged bracket on top of the casting machine. This brings the crucible into perfect alignment with the center of the flask ring to ensure an error-free pour.
MyWeigh iBalance 300 Digital Scale	Rio Grande	116850	This scale is used to measure the weight of the sacrificial and sprue system for metal which is going to be used for centrifugal casting.
Rubber bottom – CAST/T Flask Ring Base	Rio Grande	705025	Specially made for the CAST/T centrifugal casting machine, this rubber base accommodates all Table King flask ring styles, creating a secure, airtight seal throughout the investment process. The center post fits either of the wax disc styles for complete versatility.
Scotch® Colored Duct Tape, 1 7/8" x 20 Yd., Blue	OfficeMax	22353766	This scotch tape is used to make sure that the gypsum-water mixture fully covers the assembled sacrificial pattern inside the flask by allowing for extra material above the flask height
Vacuum casting machine – V.I.C. 12 Tabletop Solid- and Perforated-Flask Casting Machine with The Rio Assistant, 110-Volt	Rio Grande	70511814	The V.I.C. 12 casting machine offers all the latest technical innovations for efficient, productive vacuum investing and casting. Designed to meet the demands of medium-sized casting operations, this machine includes a powerful 1/2hp, 5cfm vacuum pump for effective vacuuming and outstanding casting results. The V.I.C. 12 casts small or large flasks. Includes an adapter table that accepts standard solid flasks up to 5" x 7" high and is mounted on rubber feet for stability.
Furnace for burn out sacrificial pattern -Rio Model 1000 Enameling Kiln with Nine Program Controller	Rio Grande	703121	The Rio enameling kiln features three pre-set firing temperatures for enamels and six that you can define. Use the exclusive Rio controller to set and maintain firing temperatures. Perfect for all types of enameling, including tall pieces. Includes ample space for firing and an easy-latch door that will not jar your enamels when opening and closing. Also suitable for metal clay, glass and ceramics. Galvanized steel case with high-temperature insulating firebrick keeps them cool. Element protected in recessed groove. Includes user instructions.
Smith Complete Little Torch Acetylene and Oxygen System	Rio Grande	500030	Get everything you need to equip your shop for soldering and brazing. Use Little Torch systems for gold or silver soldering, brazing and casting applications. Complete every soldering and melting job with confidence and ease! This system accepts all Little Torch accessory tips for melting, brazing and large soldering jobs and is a staple for every jeweler.
Heat-Resistant Safety Apron	Rio Grande	750160	The specially designed apron has an 800°F (427°C) temperature resistance. Its reflective finish repels hot metal splashes and helps insulate the wearer from heat.
Radnor Heat-Resistant Gloves	Rio Grande	350050	These flexible, heat-resistant gloves are ideal for enameling projects, allowing you to grip even small tongs securely. Blue, shoulder-split leather gloves are made of tough cowhide and lined with cotton and foam, and have reinforced thumb wings.
Platinum Soldering Glasses, #7	Rio Grande	113914	Protect yourself and your employees when soldering platinum. Comfortable glasses feature adjustable earpieces and 52mm IR green polycarbonate #7 lenses. The #7 lens is approved by The Platinum Guild.
Economy Light-Duty Flask Tongs	Rio Grande	704026	Constructed of bent steel, these tongs are designed to handle flasks 3-1/2" or less in diameter. The small-angle notches grip smaller flask sizes and the larger, rounded contour area securely holds larger flasks.
Separating Screen Bucket	Rio Grande	201360	15"-diameter, 11-1/2"-deep
Sand blaster – Econoline – 101701CB-A – Free-Standing Cabinets Workspace Width (Inch): 60 Workspace Depth (Inch): 48	MSC industrial supply Co.	223818	Ree-Standing Cabinets; Workspace Width (Inch): 60; Workspace Depth (Inch): 48; Workspace Height (Inch): 40; Air Requirement: 12 CFM @ 80 psi; Overall Cabinet Width (Inch): 65; Maximum Cabinet Depth (Inch): 86
Johnson's Baby Oil Shea & Cocoa Butter	Wal-Mart	260074132	This baby  oil is used for removing the residue of the support material for the castable sacrificial pattern using Digital Ultrasonic Cleaner.
German 4" Saw Frame and Saw Blade Kit	Rio Grande	110112	Quality, German-made frames are our most popular saw frames, and this frame includes a sampler pack of Rio German saw blades! The adjustable saw frame allows you to achieve the blade tension you want. Throat depth is 102mm (4"). Saw blades have rounded backs that make cutting curves and corners easy and are made from hardened, tempered steel.