ייצור עקיף של סריג מתכות סעיפים דקים באמצעות יציקה צנטריפוגלי
Summary
שיטת ייצור כתוסף עקיפה שילוב הדפסת 3D של פולימרים עם ליהוק צנטריפוגלי המתוארת למתכות מסבך שמיניית 3D ייצור (אל ו Cu סגסוגות) באורך תא יחיד של 5 מ"מ עם עובי דופן של 0.5 מ"מ.
Abstract
אחת השיטות הטיפוסיות לייצור מתכות סריג 3D הוא תהליך הייצור כתוסף ישיר המתכת (AM) כגון סלקטיבי ליזר התכה (SLM) ו אלקטרוני Beam התכה (EBM). למרות יכולת עיבוד הפוטנציאל שלה, שיטת AM הישירה יש כמה חסרונות כגון עלות גבוהה, גימור משטח עני של מוצרים סופיים, הגבלה בבחירת חומר, מתח תרמית גבוה, ומאפיינים איזוטרופי של חלקים. אנו מציעים שיטה חסכונית לייצור מתכות סריג 3D. מטרת מחקר זה היא לספק פרוטוקול מפורט על ייצור של מתכות סריג 3D בעל צורה מורכבת ואת עובי דופן דק; למשל, מסבך השמינייה עשוי מסגסוגת אל ו Cu באורך תא יחידה של 5 מ"מ עובי דופן התא של 0.5 מ"מ. הליך הניסיון הכולל מחולק לשמונה חלקים: (א) הדפסת 3D של דפוסי הקרבה (ב) להמס-אאוט של חומרי עזר (ג) להסרת שאריות של חומרי עזר (ד) דפוס להרכבהy (ה) השקעה (ו) שחיקה של דפוסי הקרבה (ז) ליהוק צנטריפוגלי (ח) שלאחר עיבוד למוצרים סופיים. טכניקת AM העקיפה הציעה מספקת הפוטנציאל לייצר מתכות סריג אולטרה קלות;. למשל, מבני סריג עם סגסוגות אל. נראה כי הגדרת פרמטרי התהליך צריכים להיות נשלטו כראוי בהתאם חומרים וגיאומטרית סריג, התבוננות המוצרים הסופיים של מתכות מסבך שמינייה ידי טכניקת AM העקיפה.
Introduction
מתכות סלולריות הן המתכות המורכבות רשת מחוברים של תמוכות מוצקות או צלחות יש מייקרו-ארכיטקטורות מורכבות עם חללי 1. דוגמאות כוללות הן i) קצף סטוכסטיים מובנים באופן אקראי ii) הורה מעת לעת דו מימדי (2D) חלות דבש תלת ממדי (3D) מבנים מסבך סריג. הם זכו לתשומת לב עקב קשיחות המסוימת הגבוהה שלהם וכוח 1-3 וחוסן סגולי גבוה 4-5, ספיגת אנרגיה מצוינת השפעת טעינה 6, בידוד אקוסטי 7, עיצוב אפשרי של dissipaters החום מחליף חום 8. במיוחד, מבני סריג הורה מהעת לעת יש פוטנציאל להנדס את המאפיינים מעולים עם יכולת לשלוט בגיאומטרית הרשת הנקבובית הפנימית.
בשל גיאומטרית הרשת הנקבובית הפנימית המורכבת שלהם, קשה לייצר מתכות הסלולר באמצעות machinin התוסף הקונבנציונליז. ככזה, חוקרים החלו מחפשים שיטות חלופיות כדי לפברק מתכות הסלולר: להרכיב גז מתכת נוזלית או ערבוב אבקת מתכת עם סוכני נושבת נחקרו לייצור צורות מתכת סטוכסטיים 9. בשל חוסר שליטה על טופולוגיה התא, קשה להתאים את תכונות מכניות. לחלופין, שיטות ייצור מתכות הסלולר הורה מהעת לעת נחקרו: ביול יריעות דקות של מתכת לתוך צורה גלית ואחריו להצטרף אליהם כדי ליצור מבנים מחזוריים 10, מליטה מחוררת יריעות מתכת 11, שחול 12, אריגת חוטי מתכת לוהטת לפברק טקסטיל 13. למרות שיטות ייצור אלה מציעות תבניות דיר, הדפוסים עדיין מוגבלים בכיוון מישוריים. במאמץ ליצור החזרה דפוס 3D, החוקרים התחילו להשתמש ייצור כתוסף (PM); למשל, לייזר סלקטיבי התכה (SLM) 14, אלקטרונים Beam התכה (EBM) <sup> 15, ו ישיר-מתכת לייזר Sintering (DMLS) 16. למרות היכולת שלהם לפברק 3D הורה גיאומטריות סריג מורכבים, עדיין קיימות מספר מגבלות: קושי באמצעות מתכות עם מוליכות תרמית גבוהות רפלקטיביות אופטית גבוהה 17, מתח שיורי תרמית גבוה 18, גימור משטח עני עם התופעה 'balling' במהלך היתוך ליזר או אלקטרונים 19, נכסי איזוטרופי 20-21 של חלקים נגרמים על ידי השפעה משולבת של הייצור השכבתי, ההיווצרות איזוטרופי של דגנים, גודל אבקה, כוח ומהירות סריקה של קרן ליזר או אלקטרונים 15, צריכת אנרגיה גבוהה, וכו '.
שילוב AM מבוסס פולימרים עם יציקת מתכת עשויה לספק שיטה חלופית לייצור מתכות סריג. אפשר לקרוא לזה "AM עקיף". עקיפת AM עשויה לספק פתרון להתגבר על הבעיות הטכניות של AM הישירה של מתכות שהוזכרו לעיל. קדמו לה כמה ניסיונות היו maדה לייצור מתכות סריג באמצעות עקיפת AM שילוב הדפסת 3D של פולימרים עם ליהוק מבוסס הכביד 22-25; למשל, ליהוק השקעה בשילוב עם מודלים בתצהיר התמזגו (FDM) לפברק סגסוגת סריג 22-25 או חול ליהוק בשילוב עם אבקת חול מבוסס AM 23. הליהוק המבוסס הכובד נראה להישאר אתגר טכני להתגבר – misrun נקבובית נגרמת על ידי התמצקות פתאומית של מתכות מותכות כשהם פוגשים מבני רשת עם פינות חדות של תבניות מבני סריג 25-26. שטח פנים גדול יחסית של תבניות מבני סריג מופיע גם לתרום קירור פתאומי, וכתוצאה מכך המיצוק מוקדם 25-26.
במחקר זה, אנו טוענים שקיימים AM עקיף חלופי שעשויות להתגבר על misrun במהלך הייצור של מתכות סריג – ליהוק צנטריפוגלי חלל עובש סריג שנעשה על ידי דפוס פולימר הקרבת סריג מודפס 3D. אנו משתמשים דיגיטלייםעיבוד אור (DLP) שיטת הדפסת 3D מבוססת לבנות דפוס הקרבה מבני סריג ואחריו ליהוק צנטריפוגלי של סגסוגות אל ו Cu. מטרת מחקר זה היא לספק פרוטוקול מפורט על ייצור של מתכות 3D סריג בעל צורה מורכבת ואת עובי דופן דק. התרומה העיקרית של תהליך זה היא לספק הזדמנות להרחיב את הבחירה של חומרים עם עלות ייצור נמוכה לייצור מתכות סריג.
Protocol
Representative Results
Discussion
ליציקת מתכת קונבנציונלית, חשוב לשמור על הזרימה המתמדת של המתכת המותכת חלקה וייעל ב 'למינרית' ב חלל העובש מעדיף להימנע זרימה סדירה ונסערת נצפתה כלל ב זרימה טורבולנטית 27. לפיכך, חשוב לעצב את הכניסה כראוי של מערכת sprue הקשורים למהירות הסיבוב של זרוע צנטריפוגלי כ…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה קיבל תמיכה מן גרנט ייזום מחקרים (RIG) של סגן הנשיא למחקר ופיתוח כלכלי באוניברסיטת צפון טקסס (UNT). המחברים מודים גם KCIS בע"מ לתמיכה במחקר זה חלקית. התמיכה מן Paccar מכון טכנולוגי בבית UNT להצלחה בפרסום זה היא מאוד מוערכת.
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. |
References
- Gibson, L. J., Ashby, M. F. . Cellular Solids-Structure and properties. , (1997).
- Schaedler, T. A., et al. Ultralight Metallic Microlattices. J. Science. 334 (6058), 962-965 (2011).
- Zheng, X., et al. Ultrastiff Mechanical Metamaterials. J. Science. 334 (6190), 1373-1377 (2014).
- Ju, J., Summers, J. D., Ziegert, J., Fadel, G. Design of Honeycombs for Modulus and Yield Strain in Shear. J. Eng. Mater. & Technol. 134 (1), 11-22 (2012).
- Lee, J., Kim, K., Ju, J., Kim, D. M. Compliant Cellular Materials with Elliptical Holes: Materials Design with Mechanisms. Transactions of the ASME: Eng. Maters. & Technol. 131 (1), 1-14 (2015).
- Tan, H., Qu, S. Chap 6: Impact of Cellular Materials. Cellular and Porous Materials in Structures and Processes. , (2010).
- Phani, A. S., Woodhouse, J., Fleck, N. A. Wave Propagation in Two-Dimensional Periodic Lattices. Acoust. Soc. A. 119 (4), 1995-2005 (2006).
- Kumar, R. S., McDowell, D. L. Rapid Preliminary Design of Rectangular Linear Cellular Alloys for Maximum Heat Transfer. AIAA. 42 (8), 1652-1661 (2004).
- Banhart, J., Weaire, D. On the Road Again: Metal Foams Find Favor. Physics Today. 55 (7), 37-42 (2002).
- Wadley, H. N. G., Fleck, N. A., Evans, A. Fabrication and Structural Performance of Periodic Cellular Metal Sandwich Structures. Comp. Sci. and Technol. 63, 2331-2343 (2003).
- Mori, L. F., et al. Deformation and Fracture Modes of Sandwich Structures Subjected to Underwater Impulsive Loads. Mech. of Mater. & Struct. 2 (10), 1981-2006 (2007).
- Queheillalt, D. T., Murty, Y., Wadley, H. N. G. Mechanical Properties of an Extruded Pyramidal Lattice Truss Sandwich Structure. Scripta Materialia. 58 (1), 76-79 (2008).
- Queheillalt, D. T., Desphande, V. S., Wadley, H. N. G. Truss Waviness Effects in Cellular Lattice Structures. Mech. of Mater. & Struct. 2 (9), 1657-1675 (2007).
- Mullen, L., Stamp, R. C., Brooks, W. K., Jones, E., Sutcliffe, C. J. Selective Laser Melting: A Regular Unit Cell Approach for the Manufacture of Porous, Titanium, Bone In-Growth Constructs, Suitable for Orthopedic Applications. Biomed. Mater. Res. Part B: Appl. Biomaterials. 89, 325-334 (2009).
- Murr, L. E., et al. Next-Generation Biomedical Implants using Additive Manufacturing of Complex, Cellular and Functional Mesh Arrays. Phil. Trans. R. Soc. A. 368, 1999-2032 (2011).
- Murali, K., et al. Direct Selective Laser Sintering of Iron-Graphite Powder Mixture. Mater. Proc. Technol. 136, 179-185 (2003).
- Lott, P., et al. Design of an Optical System for the In-Situ Process Monitoring of Selective Laser Melting (SLM). Ph. P. 12, 683-690 (2011).
- Song, B., Dong, S., Liu, Q., Liao, H., Coddet, C. Vacuum Heat Treatment of Iron Parts Produced by Selective Laser Melting: Microstructure, Residual Stress, and Tensile Behavior. Mater. Design. 54, 727-733 (2014).
- Yadroitsev, I., Smurov, I. Surface Morphology in Selective Laser Melting of Metal Powders. Ph. P. 12, 264-270 (2011).
- Antonysamy, A. A., Meyer, J., Prangnell, P. B. Effect of Build Geometry on the β-grain Structure and Texture in Additive Manufacture of Ti-6Al-4V by Selective Election Beam Melting. J. of Mat. Charact. 84, 153-168 (2013).
- Ladani, L. Local and Global Mechanical Behavior and Microstructure of Ti6Al4V Parts Built Using Electron Beam Melting Technology. J. of Metalllur. & Mater. Trans. 46, (2015).
- Chiras, S., et al. The Structural Performance of Near-Optimized Truss Core Panels. Solids Struct. 39, 4093-4115 (2002).
- Meisel, N. A., Williams, C. B., Druschitz, A. Lightweight Metal Celluar Structures via in Direct 3D Printing and Casting. Proceedings of the 24th Solid Freeform Fabrication Symposium. , (2013).
- Mun, J., Ju, J., Yun, B. -. G., Chang, B. -. M., Kim, D. -. M. A Numerical Study of Molten Aluminum for Investment Casting of 3D Cellular Metals. Proceedings of the ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition. , (2013).
- Mun, J., Yun, B. -. G., Ju, J., Chang, B. -. M. Indirect Additive Manufacturing Based Casting of a Periodic 3D Cellular Metal – Flow Simulation of Molten Aluminum Alloy. Manufact. Process. 17, 28-40 (2015).
- Challapalli, A., Ju, J. Continuum Model for Effective Properties of Orthotropic Octet-Truss Lattice Materials. Proceedings of the ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition. , (2014).
- Taylor, H. F., Flemings, M. C., Wulff, J. . Foundry Engineering. , (1959).
- Mun, J., Ju, J., Thurman, J. Indirect Additive Manufacturing Based Casting (I AM Casting) of a Lattice Structure. Proceedings of the ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition. , (2014).
- Mun, J., Ju, J., Thurman, J. Indirect Additive Manufacturing of a Copper Alloy Cubic Lattice Structure. Proceedings of the 25th Annual International Solid Freeform Fabrication Symposium. , (2014).
- . Volume 2 Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Pure Metals. Metals Handbook Ninth Edition. , (1979).
- Romano, J., Ladani, L., Razmi, J., Sadowski, M. Temperature Distribution and Melt Geometry in Laser and Electron-beam Melting Processes – A Comparison Among Common Materials. J. of Additive Manuf. 8, 1-11 (2015).
