EN
Ef þú vinnur með títanlegera í heiminum 3D-prentunar hefurðu líklega heyrt sama hlutinn aftur og aftur: raunverulegir framfarir áttu sér stað þegar hefur verið sameinað rökfræðileg hönnun við viðeigandi eiginleika rýmis. Það er eitt að eiga véla sem getur prentað flókna lögun, en það er alveg annað áskorun að hanna hlut sem nýtir fullkomlega einstaka hæfni ljósraflsprentunar á rýmisbylgju (laser powder bed fusion) eða eldsprentunar með rafhlöðu (electron beam melting). Þegar um efni eins og Ti6Al4V-títan er rætt er átt við stöðugt leger sem er mjög sterkt og sýnir góða líkamsþol, en það er fræðilega erfitt að vinna með ef ekki er fyrirhugað áður. Þetta er staðurinn þar sem hugtakið Hönnun fyrir viðbótargerð (Designing for Additive Manufacturing, DfAM) verður nauðsynlegt, sérstaklega með notkun toppólógíuoptímalísunar. Þó að hugtakið hljóti tæknilegt, er reglan einföld: setja efnið eingöngu þar sem hreyfimagnslínan krefst þess og fjarlægja það alls annars staðar.
Af hverju krefst Ti6Al4V einstökum hönnunaraðferð
Ti6Al4V er ekki hagvæn eða létt í samanburði við ál. Þéttleiki þess er áberandi, en það er kompenserað með framúrskarandi mekanískri afköstum og mótsögu gegn rýmingu. Því miður er það grunnefni í loft- og rúmfræðisviðinu og í háþróuðri lyfjafræðitækni, og notast við það í forritum eins og hluti til skiptis í beinum og staðfestingarinnviða. Ef hins vegar hönnuður tekur venjulegt CAD-hugbúnaðarlag fyrir frádráttarframleiðslu (CNC-másíningu) og setur það einfaldlega inn í metallprentara með Ti6Al4V-dyrgu, er mikil gildismengd ónotuð. Hluturinn hefur óþarfa massann og, mikilvægara, safnar hann óþarfa hitaspennu á meðan byggingin fer fram.
Viðbótargerving og toppólógíuoptímalísing opna möguleika á framleiðslu flókinni hlutum sem væru óhugnanlegir fyrir tíu árum. Markmiðið er massaminnkun, en það er nákvæm gerð þyngdarminnkunar: að fjarlægja óþarfnun meðan ákveðnar leiðir sem berja vélarhleðslur eru styrktar.
Úthlutingin liggur í ógnvekjandi eiginleikum efna. Ti6Al4V hefur háa stífni og hefur tilhald til að halda áfram restspennu. Ef almennt toppólógíuoptímalísingarverkefni er framkvæmt án þess að taka tillit til lágmarksstærðar á eiginleikum eða kröfu um afvötnun af rýmum innri rásir af rými, mun útkoman – þótt hún sé áhrifamikil á skjánum – vera raunverulegt martröð að prenta og hreinsa. Þegar hönnuð er fyrir viðbótargervingu með Ti6Al4V verður að hugsa um alla lífslínu hlutarins, frá því að endursetningarskúfunni dreifir rýmið til þess að hluturinn er að lokum aðskilinn frá byggingarplötunni.
Stjórnmál yfir ofanvarpsflötum og styribyggingum
Eitt af fyrstu grunnsögunum sem lært er í viðbótarframleiðslu mála er að líkamlegar kraftar eru áfram í fullri gildi óháð hitakeldu. Það er bæði þétt og heitt í brjóti staði, Ti6Al4V. Að reyna að prenta flatan, láréttan yfirhengi án nægilegrar stuðnings mun óundvikjanlega leida til neyðis, snúningar eða mistök við byggingu. Því verða yfirhengisvinklar að vera einn af aðal takmörkunum í hverri toppólógí-optimiseringsstrategíu. Áreiðanlegt leiðbeinandi reglu er að halda myndvinklum að minnsta kosti fjörutíu og fimm gráður frá byggingarplötunni.
Ef optimiserunarmálvara býr til líkamslega lögun með óstuddum láréttem skáf, verður hönnuðurinn að skrefa inn til að breyta löguninni eða setja strangar takmörkunir á yfirhengi innan leysersins. Markmiðið er að hámarka hlutfallið af sjálfstæðri stuðningslögun. Það er nauðsynlegt að lágmarka fjölda stuðningsviðsnæðis, því stuðningar kosta efni, krefjast tímaþrefandi fjarlægingar og skapa ójafna yfirborðsmerki sem krefjast eftirvinnslu.
Núverandi rannsóknir fócusar á hagkvæmasta millibili studda tengipunkta sérstaklega fyrir þessa legeringu. Markmiðið er að ákvarða hámarks leyfilega fjarlægðina á milli studda tanna áður en yfirhengið byrjar að breytast. Með því að stilla þessar breytur nákvæmlega má mætta notkun efna fyrir studda verulega. Fyrir Ti6Al4V-hlut sem ætlaður er fyrir lyfja- eða róbótatækni, er óskýrður staðall á yfirborði innri rásar mikilvægur. Ósamanþrýstur rafmagnsduft sem liggur fast í rist eða brjótleys studda sem gætu losnað síðar eru ekki samþykkt. Hönnunin verður að innihalda skýr áherslu á lokastofnun og staðfestingu frá upphafi.
Ristagerðir: Aukning á stífleika með því að minnka massa
Ef topólogíuoptímíkun stofnar grunnstig hönnunar, þá veita ristur smáatriði. Þegar unnið er með Ti6Al4V er einfaldlega að gera fast hluta holta oft ónóg til að viðhalda nauðsynlegri veggþykkt og almennum stífleika. Þetta er staðurinn þar sem einingarfrumur—endurteknar mikilbyggingar eins og líkamsmiðju kúbískar eða gyroid skipanir—fylla innri rúmmál. Það er átökulegt hversu mikinn strukturnaustyrk má viðhalda með því að skipta út fasta blokkum fyrir verkfræðilega hönnuðar ristur, þó að massi hlutans minnki um fimmtíu prósent eða meira.
Hugsum okkur mekaníska ásýnunarefni, svo sem tannhjól. Nýlegar rannsóknir hafa sýnt að skipta heilu líkama venjulegs tannhjóls fyrir frumugrindarbyggingu úr Ti6Al4V gefur mikilvægar kosti. Með því að nota hugbúnað til topólógíuoptímalísunar til að kortleggja þar sem þéttar knútstöðvar eru nauðsynlegar og þar sem styttur má þynna náðu rannsakendur fleiri kosti en einfaldlega léttara tannhjól. Hluturinn sýndi breytt dynamískt starfsemi undir álagi vegna þess að frumugrindarbyggingin lagði grunninn að dæmfun á viftunum. Þessi aukakostnaður kemur fram aðeins þegar hlutir eru hugðir sem verkfræðilegar byggingar í stað heilla stofna.
Í bíla- og flutningasviðinu er þessi nálgun verðandi óhjákvæmileg fyrir hluti eins og bremsubrúnar eða ophangsstýriherfi. Með því að sameina topólógíuoptímalísun við ristarskammt (lattice infill) minnkar bæði óþyngd (unsprung mass) og snúðþregða. Eiginleikar Ti6Al4V, sem framleidd er með rafstraumstrýstur (electron beam melting) eða laserskammtfusjon (laser powder bed fusion), eru samanburðarstærðir við þá eiginleika sem hafa verið uppnáðir með smíði (wrought material), sem tryggir jafngildi viðvaranleika með brot af upprunalegu efni. Þessi nálgun krefst grunnleggs breytingar á sjónarmiðum, þar sem innri hluti hlutarins er litið á sem hönnunaraðgengilegt rúm frekar en einfaldlega sem fullt (solid fill).
Hugbúnaðarvinnuskipulag sem gerir mögulega flókin rúmmynd
Að ná þessu stigi af ólíkum, þyngdarauknum rúmfræði er ekki mögulegt með hefðbundin þáttafræðileg hönnun aðeins. Það krefst sérstakrar tólsetningar sem getur unnið með óskilgreindar rúmfræði. Stöður sem eru hannaðar fyrir áþreifanlega tölvuhönnun leyfa verkfræðingum að vinna með svæði og jöfnur í stað þess að einfaldlega skissa fast efni og beita skurðum. Til dæmis, þegar þróuð er lyfjauppsprettuskráning eins og hluti af knéskammti, leyfa þessi tól toppóptímering þar sem netþéttleiki er breyttur innan femoralbyggingar miðað við spennukort úr endanlega þátta greiningu (FEA).
Í svæðum með háum spennusamþrýmmingum nálægt tengipunktum eru ristarspörunar þykkuðar. Öfugt við það eru spörunarnar minnkar í lágspennusvæðum niður í lágmarksþykkleikann sem er hæfilegur. Þessi hönnunaraðferð byggð á breytubreytingum er í raun huglæg fyrir Ti6Al4V vegna þess að hún endurspeglar raunverulegu álagsleiðina með mikilli nákvæmni. Upphaflega úttak úr leysara er oft flókið, líkamslegt net sem táknar optimala massudreifingu.
Raunverulega sérfræði í DfAM liggur í að fína þetta net. Yfirborðin verða að vera jafn til að koma í veg fyrir óreglulegar straumar eða truflanir á straumhreyfingu innan óvirks gasmiðils í prentunarherberginu. Sérfræðifyrirtæki sem veita lokahandvirkni skilja að ójafnt, eins og prentað yfirborð á Ti6Al4V getur verið samanstöðustaður fyrir spennuhækkun og mögulega upphaf á rósu. Með því að fína bogana í óptíma netinu áður en prentað er, er miklu minna þörf á síðari vinnu í polishing og yfirborðsmeðferð, sem tryggir að hluturinn sé í samræmi við nákvæmar málstefnur.
Að auki er nauðsynlegt að staðfesta að hönnunin innihaldi engar fallegar holur þar sem rými gæti fastið varanlega. Þessi stig framleiðanlegs hagsmuna krefst djúpskilnings bæði í reikniritaskilningi og í líkamlegum afstaða smeltisvöku.
Áhrif hitadynámíku á lokageometríu
Hitaumsýsla er dularfull en mikilvæg andstæðing í metallprentun sem er oft yfirleitt í staðbundinni spennugreiningu. Að smelta Ti6Al4V með samþrungnum orkugjafa felur í sér að setja mikla orku í mjög lítil svæði. Sú síðustu hröða kælingin veldur flókinni innri spennusviði sem kallað er eftirspenna. Ef hlutur með topólógíu-optimeraðri hönnun hefur mikil þversnið hjá mjög þunnri vef, mun þessi hitamismunur líklega valda brotum eða bökkun á hlutnum á meðan hann er byggður eða, í alvarlegum tilvikum, skemmdum á endursetningarvélinni.
Þar af leiður að þróuðum deildunarforritum hefur nú verið beint innleitt hitaeðlisfræði í úrvinnsluslóðina, þar sem yfirhitunarbætur eru greindar á meðan sameiningin fer fram. Þetta þýðir að léttasta mögulega lögunin sem hrein vélfræði spáði fyrir er ekki endilega besta prentunarleiðin. Hönnuðurinn gæti þurft að ákveðinn hátt endursetja efni eða innbyggja hitastjórnunarþætti til að regla hitastig í smeltupössunni. Það er fjölhliða jafnvægi milli þess að ná vélfræðilegum markmiðum og tryggja hitastöðugleika. Þegar þetta jafnvægi er náð getur minnkun innri spennu stundum gerð þörf fyrir dýrri hitajafnþrýstingarferli óþarfi, sem leiddi til mikilla tíma- og kostnaðarsparnaðar.
Útvíkka horfunt á hönnun sem er framleidd
Í framtíðinni mun aðferðafræðin fyrir hönnun á Ti6Al4V-hlutum halda áfram að þróast í flóknum. Iðjuin er að fara framhjá staðstilltum álagstilvikum og snúa sér að hönnun sem er háð ákveðnum titringarfrequensum eða álagsþol. Sjálfbærni er einnig að skapa mikilvæga breytingar á þessu sviði. Þar sem Ti6Al4V-dúrr er dýr, orkuþrefandi auðlind er minnkun á waste mikilvæg. Með því að nota topólógíhönnun til að framleiða léttari og minni hluti er notkun dúrrsins á hverri verkefnisvinnu sjálfgefinlega minnkuð. Á meðan endurnotkun dúrrsins og vottunarmálstefnur þroskast verður sjónmál um háðvirka títaníuhluti sem eru ekki bara léttari og sterkari heldur einnig umhverfisvænna en jafngildir smiðaðir eða gosnir hlutir áttaðlegt raunveruleika.
Við erum á spennandi þvergöngu þar sem aðal takmörkunin er ekki lengur sjálf vélbúnaðurinn, heldur hagnýtingarkraftur hönnuðans í efni dreifingu og skilningur hans á flókinni samspil milli orkugjafans, rýmis fyrir rýmipulver og breytilegrar lögunar. Að meistara þetta samspil er lykillinn að opna fulla getu Ti6Al4V í tímabilinu fyrir viðbótargervingu.
