La fabricación indirecta de celosía Los metales con secciones delgadas Uso de fundición centrífuga
Summary
Un método de fabricación de aditivos indirecta la combinación de una impresión en 3D de polímeros con una fundición centrífuga se describe para la fabricación de metales para entramados de octetos 3D (Al y Cu aleaciones) con una longitud de celda unitaria de 5 mm con un espesor de pared de 0,5 mm.
Abstract
Uno de los métodos típicos para la fabricación de metales de celosía en 3D es el proceso directo de metal fabricación aditiva (AM) como fusión selectiva por láser (SLM) y el haz de electrones de fusión (MBE). A pesar de su capacidad de procesamiento potencial, el método AM directo tiene varias desventajas tales como el alto costo, pobre acabado superficial de los productos finales, limitación en la selección de materiales, de alta tensión térmica, y las propiedades anisotrópicas de piezas. Proponemos un método rentable para la fabricación de metales de celosía en 3D. El objetivo de este estudio es proporcionar un protocolo detallado en la fabricación de metales de celosía en 3D que tienen una forma compleja y un espesor de pared delgada, por ejemplo, braguero octeto hechos de aleaciones de Al y Cu con una longitud de celda unitaria de 5 mm y un espesor de pared de la célula de 0,5 mm. Un procedimiento experimental general se divide en ocho secciones: (a) la impresión en 3D de los patrones de sacrificio (b) por fusión de materiales de apoyo (c) la eliminación de los residuos de materiales de apoyo (d) assembl de patróny (e) la inversión (f) agotamiento de los patrones de sacrificio (g) de fundición centrífuga (h) después de la transformación de los productos finales. La técnica indirecta AM sugerido proporciona el potencial para la fabricación de metales de celosía ultra-ligeros;. Por ejemplo, estructuras de celosía con aleaciones de Al. Parece ser que los parámetros de proceso deben ser controlados adecuadamente dependiendo de los materiales y la geometría del enrejado, la observación de los productos finales de metales octeto de celosía por la técnica de AM indirecta.
Introduction
Metales celulares son los metales formados por una red interconectada de puntales sólidos o placas complejas y tienen micro-arquitecturas con huecos 1. Los ejemplos incluyen tanto i) espumas estructuradas estocásticos azar y ii) ordenados periódicamente) panales de dos dimensiones (2D y (estructuras de celosía tridimensional 3D) de celosía. Ellos han recibido atención debido a su alta rigidez específica y la fuerza 1-3 y alta resistencia específica de 4-5, una excelente absorción de energía para la carga de impacto 6, aislamiento acústico 7, posible diseño de disipadores de calor e intercambiadores de calor 8. Especialmente, estructuras de celosía ordenados periódicamente tienen el potencial para diseñar las propiedades superiores con una capacidad para controlar la geometría de la red porosa interna.
Debido a su geometría de la red porosa interna compleja, es difícil para la fabricación de metales celulares usando el machinin sustractivo convencionalgramo. Como tal, los investigadores han empezado a buscar métodos alternativos para fabricar metales celulares: gas de formación en el metal líquido o mezcla de polvo de metal con agentes de expansión fueron exploradas para la fabricación de formas de metal estocásticos 9. Debido a la falta de control sobre la topología de la célula, es difícil de adaptar las propiedades mecánicas. Como alternativa, se exploraron métodos de fabricación de metales celulares ordenados periódicamente: estampado de hojas delgadas de metal en una forma ondulada seguido de unirse a ellos para crear estructuras periódicas 10, la unión ranurada chapas metálicas 11, extrusión 12, el tejido y resplandecientes filamentos de metal para fabricar textiles 13. A pesar de que estos métodos de fabricación ofrecen patrones repetibles, los patrones son todavía limitados en la dirección planar. En un esfuerzo para generar la repetición patrón 3D, los investigadores empezaron a utilizar la fabricación aditiva (AM); por ejemplo, fusión selectiva por láser (SLM) 14, haz de electrones de fusión (MBE) <sup> 15, y Direct-metal sinterización láser (LMD) 16. A pesar de su capacidad para fabricar 3D ordenó geometrías de celosía complejos, todavía existen algunas limitaciones: dificultad para usar metales con alta conductividad térmica y alta reflectividad óptica 17, de alta tensión residual térmica 18, mal acabado de la superficie con el fenómeno 'bolas' durante láser o de electrones de fusión 19, 20-21 propiedades anisótropas de partes causado por un efecto combinado de la fabricación por capas, la formación anisotrópica de granos, tamaño del polvo, el poder y la velocidad de escaneo de láser o por haz de electrones 15, alto consumo de energía, etc.
La combinación de AM a base de polímero con la fundición de metal puede proporcionar un método alternativo para la fabricación de metales de celosía. Uno puede llamar a este "AM indirecta". Indirecta AM puede proporcionar una solución para superar los problemas técnicos de AM directa de los metales mencionados anteriormente. Varios esfuerzos han sido made metales para la fabricación de celosía utilizando indirecta Estoy combinando la impresión en 3D de polímeros con la fundición por gravedad basado 22-25; por ejemplo, un bastidor de inversión combinada con el modelado por deposición fundida (FDM) para fabricar una aleación de celosía 22-25 o arena de fundición combinada con un polvo de arena basado AM 23. El casting basado gravedad parece seguir siendo un desafío técnico para superar – misrun y la porosidad causada por la solidificación repentina de metales fundidos, cuando se reúnan las estructuras de red con esquinas puntiagudas de los moldes estructurales de celosía 25-26. Área superficial relativamente grande de moldes estructurales de celosía también parece contribuir a un enfriamiento brusco, lo que resulta en la solidificación prematura 25-26.
En este estudio, se propone un AM indirecta alternativa que puede superar la misrun durante la fabricación de los metales de celosía – fundición centrífuga a una cavidad de molde de celosía hecha por un patrón de polímero sacrificial celosía 3D impreso. Utilizamos una cámara digitalLight Processing (DLP) método de impresión en 3D basado construir un modelo estructural de sacrificio celosía seguido de fundición centrífuga de aleaciones de Al y Cu. El objetivo de este estudio es proporcionar un protocolo detallado en la fabricación de metales de celosía en 3D que tienen una forma compleja y un espesor de pared delgada. La principal contribución de este proceso es proporcionar una oportunidad para extender la selección de materiales con bajo coste de fabricación para la fabricación de metales de celosía.
Protocol
Representative Results
Discussion
Para la fundición de metal convencional, es importante para mantener el flujo del metal fundido suave y racionalizado en 'laminar' en la cavidad del molde y más bien evitar el flujo irregular y agitado observado generalmente en flujo turbulento 27. En consecuencia, es importante diseñar correctamente la entrada del sistema de bebedero asociada con la velocidad de rotación de un brazo de centrífuga para mantener el flujo de metal fundido dentro de la cavidad del molde de celosía 'laminar'…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este estudio recibió el apoyo de la Investigación Iniciación Grant (RIG) del Vicerrectorado de Investigación y Desarrollo Económico de la Universidad del Norte de Texas (UNT). Los autores también agradecen a KCI Co. Ltd para apoyar parcialmente este estudio. El apoyo del Instituto de Tecnología de PACCAR en UNT para el éxito de esta publicación es muy apreciada.
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
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