Design ottimizzato e fattori chiave di prestazione di un sistema di filtraggio della circolazione del gas in una stampante 3D in metallo

Apr 16, 2023

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 14267 (2022) Citare questo articolo

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Per migliorare ulteriormente la qualità delle parti nelle stampanti 3D in metallo, è necessario ottimizzare la struttura e studiare le prestazioni dei loro sistemi di filtraggio della circolazione del gas. Innanzitutto, abbiamo utilizzato il metodo di modellazione parametrica per completare la modellazione della cavità formata. Abbiamo quindi ottimizzato la progettazione della struttura di ingresso dell'aria della cavità formata utilizzando il metodo di simulazione del flusso dello stampo e, infine, abbiamo valutato i risultati della progettazione ottimizzata attraverso esperimenti di assemblaggio e misurazioni dei componenti delle parti stampate. La combinazione di metodi di modellazione parametrica e di simulazione del flusso nello stampo ha prodotto un'elevata efficienza di modellazione e ha avuto un buon effetto sulla progettazione ottimizzata dei sistemi di filtraggio della circolazione del gas. Dopo aver ottimizzato il design, le intensità di turbolenza e le aree di distribuzione delle cavità formate sono state ridotte. Durante la stampa 3D della piastra guida curva, il piano del supporto della piastra guida era inclinato di 55° rispetto al piano di riferimento della lavorazione, migliorando così la qualità della forma. La piastra guida curva stampata in 3D si adattava perfettamente all'estremità di ingresso del condotto dell'aria della stampante e la piastra guida superiore era fissata in una posizione adatta utilizzando viti. Il contenuto di niobio delle parti formate dalla piastra guida nel Design 2 era basso, il che pone le basi per la stampa 3D di parti metalliche ad alte prestazioni.

La tecnologia di produzione additiva (AM) può essere utilizzata per suddividere modelli tridimensionali (3D) utilizzando software specializzato per ottenere dati di sezione1. I dati possono quindi essere importati in apparecchiature di formazione rapida, consentendo la produzione di parti tramite metodi di accumulo di materiale strato per strato2. La tecnologia AM può essere utilizzata per produrre parti di qualsiasi forma, compresi pezzi unitari, piccoli lotti e strutture complesse e compatte3. La fusione laser selettiva (SLM) è un tipo di tecnologia AM basata sulla fusione laser di polvere metallica4,5.

Quando la tecnologia SLM viene utilizzata per formare parti, l'interazione tra il laser e la polvere porta solitamente a due problemi6: ① La scansione selettiva della polvere metallica da parte del laser provoca lo sputtering della polvere. Le particelle formate dallo sputtering galleggiano e si diffondono nel contenitore di modellazione per poi disperdersi attorno al silo di formatura inquinando la polvere, con conseguenti difetti di inclusione delle scorie nelle parti successivamente formate; ② Quando il laser agisce sulla polvere metallica, la polvere forma "smog solido" nei processi di combustione, sublimazione, evaporazione e condensazione. Lo "smog solido" aderisce al vetro protettivo dello scanner galvo, per cui il laser genera una grande attenuazione energetica quando attraversa il vetro protettivo. Pertanto, le parti metalliche formate non possono assorbire energia sufficiente, con conseguenti difetti e danni al laser. Inoltre, lo "smog solido" provoca la contaminazione delle polveri e provoca difetti nelle parti formate. Pertanto, nelle attrezzature di stampaggio SLM, di solito è necessario predisporre un sistema di filtraggio della circolazione del gas per far circolare e filtrare il gas nel contenitore di modellazione.

I sistemi di filtraggio della circolazione del gas nelle apparecchiature di stampaggio SLM utilizzano pompe di circolazione esterne per collegare gli ingressi interni e i tubi di scarico. Dopo che il gas nel contenitore di formatura è stato estratto dal tubo di scarico mediante la pompa di circolazione, il gas entra prima nel dispositivo di filtraggio della polvere, quindi rifluisce nel contenitore di formatura lungo il tubo di aspirazione, determinando la circolazione del gas nello stampo. cilindro7. La prima funzione principale del sistema di filtraggio della circolazione del gas è mantenere l'ambiente privo di ossigeno richiesto nel processo di stampaggio. Un'altra funzione importante è quella di rimuovere i "derivati". Nel processo di stampaggio sono coinvolti un gran numero di materiali in polvere micron e durante la fusione con scansione laser si verificano shock energetici. Le particelle di sputtering sono sparse per la cabina. Inoltre, alcune impurità presenti nella polvere producono "fumo solido" durante la fusione. Il "fumo solido" è composto da condensati flocculanti formati dal raffreddamento istantaneo di vapori metallici elettrolitici da una vasca fusa metallica bollente, e hanno un diametro medio di 1 µm. Per evitare che la condensa fluttuante contamini l'ambiente della cabina, e in particolare entri nel raggio del percorso della luce laser e influenzi l'incidenza del laser, la piastra guida viene solitamente posizionata all'uscita del tubo di aspirazione per evitare che "fumo solido" e spruzzi di particelle inquinino l'ambiente. polvere e il vetro protettivo dello scanner galvo. All'ingresso del tubo di scarico è presente un collettore di polveri (scanalatura di guida) per raccogliere il "fumo solido" e le particelle di polvere nella cavità di stampaggio. Quindi, la pompa di circolazione assorbe il "fumo solido" raccolto e le particelle di polvere nel nucleo del filtro per la filtrazione. Dopo che il design della scanalatura di guida è stato ottimizzato, le prestazioni della piastra di guida all'uscita del tubo di aspirazione sono diventate il fattore chiave che influenza le prestazioni del sistema di filtraggio della circolazione del gas nell'attrezzatura di stampaggio SLM.