Metaal Additieve Fabricatie Verkennen: Een Beginner's Gids naar Direct Metal Laser Sintering (DMLS)

Naarmate productontwikkeling versnelt, veranderen de ontwerperegels. Nerens is dit duidelijker dan bij metaal additieve fabricatie. Direct metal laser sintering is een metaal additieve fabricagetechnologie met significant potentieel in medische en luchtvaartindustrieën. Maar het vereist een nieuwe manier van denken zelfs in de vroege ontwerpfasen. Op veel manieren vertegenwoordigt het de overgang die ontwerpers moeten maken wanneer ze naar nieuwe technologieën kijken om productontwerp en productie sneller en innovatiever te maken.

Er zijn verschillende voordelen van DMLS, voornamelijk dat ontwerpers ontwerpen in ongewone vormen kunnen fabriceren tegen zowel tijd- als kostenbesparing. Net als andere 3D-printtechnologieën, bouwt DMLS onderdelen laag voor laag door geatomiseerd metaalpoeder te sinteren met een hoogvermogen laser.

Waarom Additieve Fabricatie Gebruiken voor Metaalonderdelen?

Productontwerpers en ingenieurs zullen vaak naar het proces wenden om te experimenteren met organische vormen die niet gemakkelijk gefreesd kunnen worden. Bijvoorbeeld, de mogelijkheid om implanteerbare lichaamsdelen te bouwen die op maat zijn voor de ontvanger. Traditioneel zouden deze implanten normaal geproduceerd moeten worden via een subtractief productieproces zoals 5-as CNC-machine. Nu bestaat de technologie om de daadwerkelijke botstructuur van een persoon te scannen, en een directe DMLS-vervanging te printen die aangepast is aan hun lichaam.

Een andere kans is chirurgische instrumenten met ultrajfijne kenmerken en medische componenten met organische vormen. Deze apparaten kunnen ontworpen zijn voor metaal injectiegieten of gieten, beide hebben relatief hoge gereedschapskosten en levertijden die weken kunnen beslaan. Maar met DMLS kunt u een prototype chirurgisch handinstrument printen op het exacte gewicht en sterkte van het eindproduct en het binnen dagen in handen van een chirurg hebben. Traditionele metaal injectiegieten is nog steeds waardevol, en zal een lagere stukprijs hebben bij hogere hoeveelheden, maar het is nog steeds 6 tot 12 weken versus een paar dagen.

Luchtvaart is een andere industrie die snel metaal 3D-printen heeft aangenomen. Materialen die vaak in de luchtvaart worden gevonden zoals Inconel en titanium zijn gemakkelijk beschikbaar via het DMLS-proces. De mogelijkheid om complexe metaalonderdelen met uitgeholde kenmerken te fabriceren opent een reeks mogelijkheden voor ontwerpers die proberen componenten lichter te maken. Een ander voordeel van 3D-printen van metaalonderdelen is het integreren van interne koelkanalen binnen een onderdeel.

De attributen van tijd, kostenbesparing en ontwerpvrijheid zijn essentieel om te kunnen experimenteren, snel te ontwerpen en te zien wat werkt. Maar DMLS vereist een verschuiving in ontwerpdenken. Een van de grootste aanpassingen is hoe u aanpast aan de introductie van interne spanningen tijdens het bouwproces. Startend met kamertemperatuur metaalpoeder, hitte toepassen voor een ogenblikkelijke smelt, gevolgd door snelle afkoeling, veroorzaakt spanning op elke laag tijdens het bouwproces. De interne spanningen gecreëerd tijdens een DMLS build zorgen ervoor dat het onderdeel probeert opwaarts te krullen tijdens het bouwen.

Hoe Metaal 3D-geprinte Onderdelen Te Ontwerpen

Nu we veelvoorkomende toepassingen en voordelen van metaal 3D-printtechnologie besproken hebben, laten we kijken naar enkele basiserichtlijnen over hoe u kenmerken op metaal 3D-geprinte onderdelen ontwerpt.

Zelf-ondersteunende Hoeken

Een zelf-ondersteunende hoek beschrijft de hoek van het kenmerk ten opzichte van de bouwplaat. Hoe lager de hoek, hoe minder waarschijnlijk het is om zichzelf te ondersteunen. Elk materiaal zal iets anders presteren, maar de algemene regel is om te vermijden een zelf-ondersteunend kenmerk te ontwerpen dat minder dan 45 graden is. Deze tip zal u goed van pas komen over alle beschikbare materialen. Zoals u in de bovenstaande afbeelding kunt zien, naarmate de hoek afneemt, wordt de oppervlakteafwerking van het onderdeel ruwer en uiteindelijk zal het onderdeel falen als de hoek te ver wordt gereduceerd.

Overhangs

Overhangs verschillen van zelf-ondersteunende hoeken doordat ze abrupte veranderingen in een onderdeelsgeometrie zijn - niet een gladde helling. DMLS is tamelijk beperkt in de ondersteuning van overhangs vergeleken met andere 3D-printtechnologieën zoals stereolithografie en selectieve lasersintering. Elke overhang groter dan 0,020 inch (0,5 mm) zou extra ondersteuning moeten hebben om schade aan het onderdeel te voorkomen. Bij het ontwerpen van overhangs is het verstandig om de grenzen niet te pushen omdat grote overhangs kunnen leiden tot reductie in een onderdeels detail en erger, leiden tot de hele build crashen.

Kanalen en Gaten

Interne kanalen en gaten zijn een van de primaire voordelen van DMLS aangezien ze onmogelijk zijn met andere productiemethoden. Conforme kanalen bieden gelijkmatige koeling door een onderdeel en helpen het gewicht van een component te reduceren. Het wordt aanbevolen dat kanalen niet een diameter van 0,30 inch (8 mm) overschrijden. Vergelijkbaar met niet-ondersteunde structuren, naarmate u 0,30 inch overschrijdt, zullen de naar beneden gerichte structuren vervormd raken. Een tip om deze beperking te omzeilen is om circulaire kanalen te vermijden. In plaats daarvan, ontwerp kanalen met een traan- of diamantvorm. Kanalen die deze volgen vormen zullen een meer uniforme oppervlakteafwerking binnen de kanaal maken en u in staat stellen de diameter van de kanaal te maximaliseren.

Het wordt aanbevolen dat kanalen niet een diameter van 0,30 inch (8 mm) overschrijden. Vergelijkbaar met niet-ondersteunde structuren, naarmate u 0,30 inch overschrijdt, zullen de naar beneden gerichte structuren vervormd raken. Een tip om deze beperking te omzeilen is om circulaire kanalen te vermijden. In plaats daarvan, ontwerp kanalen met een traan- of diamantvorm. Kanalen die deze volgen vormen zullen een meer uniforme oppervlakteafwerking binnen de kanaal maken en u in staat stellen de diameter van de kanaal te maximaliseren.

Bruggen

Een brug is elk plat naar beneden gericht oppervlak dat door 2 of meer kenmerken wordt ondersteund. De minimum toegestane niet-ondersteunde afstand die we aanbevelen is 0,080 inch. In relatie tot andere 3D-printtechnologieën is deze afstand relatief kort door de spanningen van de snelle vertering en afkoeling. In de onderstaande afbeelding zult u zien hoe de brug de ondersteunende structuren intrekt naarmate de niet-ondersteunde afstand toeneemt. Onderdelen die deze aanbevolen limiet overschrijden, zullen slechte kwaliteit op de naar beneden gerichte oppervlakken hebben en niet structureel kloppend zijn.

Na-verwerking van Metaal 3D-geprinte Onderdelen

Eenmaal een onderdeel klaar is met bouwen binnen de machine, kunnen verschillende stappen genomen worden om de mechanische eigenschappen, oppervlakteafwerkingskwaliteit te verbeteren, en te zorgen dat de onderdeelskenmerken binnen tolerantie zijn.

Warmtebehandeling

Het doorlopen van een warmtebehandeling is noodzakelijk nadat een onderdeel gebouwd is, omdat het helpt interne spanningen te verlichten die zich ontwikkelen tijdens het sinterproces. De spanningen in een build stralen naar buiten naar de rand van het onderdeel en bouwen op met elke extra laag. Bijvoorbeeld, onderdelen met dikke dwarsdoorsnedes zullen meer spanning hebben. Er zijn een verscheidenheid aan warmtebehandelingsprocessen die gebruikt kunnen worden om dit aan te pakken:

• Vacuum oven: Onderdelen worden binnen een vacuum afgedichte oven geplaatst en daarna blootgesteld aan een hoge hitte omgeving, wat interne spanningen vermindert.
• Hot isostatisch pressen (HIP): Algemeen aangeduid als HIP, dit proces past zowel druk als hitte toe op het onderdeel om porositeit te verminderen en dichtheid te verhogen.

Na-Build CNC-Bewerking

Sommige toepassingen kunnen extra bewerking vereisen nadat het metaalcomponent 3D-geprint is. Dit is nuttig wanneer strakke toleranties of verbeterde oppervlakteafwerkingskwaliteit vereist zijn op specifieke kenmerken, maar de algehele geometrie additieve fabricatie vereist om geproduceerd te worden. Bijvoorbeeld, een raketmotorcomponent met complexe koelkanalen heeft een paarmerk dat een tolerantie van +/- 0,001" vereist. In sommige gevallen kan na-build CNC-bewerking zelfs gebruikt worden om kosten te verlagen door minder spaan op de vloer en efficiënter gebruik van materialen.

Kwaliteitsinspecties

Vaak zullen metaalonderdelen gebouwd met additieve fabricatie dimensionale validatie of een evaluatie van de microstructuur van het materiaal vereisen. Hiervoor kunnen coördinaatmeetmachines (CMM) gebruikt worden om te verifiëren dat onderdeelskenmerken binnen tolerantie zijn. CT of Röntgenscanning kan ook gebruikt worden om interne kenmerken te onderzoeken en een niet-destructieve oplossing te bieden om structurele integriteit te garanderen.

Meer Leren Over Metaal 3D-Printen

Als u meer wilt leren over DMLS en metaal 3D-printen in het algemeen, hebben we verschillende andere bronnen beschikbaar. Begin met het lezen van ons white paper over het fabriceren van metaalonderdelen. Dit dekt zowel bewerking als 3D-printen en helpt u beslissen welk proces het beste voor uw toepassing is. En voor meer details over metaalonderdeelontwerp voor additieve fabricatie, bekijk onze on-demand webinar "Ontwerpen voor Metaal 3D-Printen."