Температурно зониране за операции с 3D печатане от няколко килограма

Все още съществуват предизвикателства при прехода към производство на компоненти, произведени чрез 3D печат в мащаби от няколко килограма, а преминаването отвъд прототипното производство или малки серии представлява уникално инженерно предизвикателство. Въпреки че всички изброени аспекти имат значение, едно от съществените, но все пак най-малко преценените изисквания при операциите за голема адитивна производство се оказва да бъде правилно контролираното и последователно постигнато температурно зониране в целия обем на изграждане. Всъщност, въпросът не е само за загреване на платформата, а по-скоро за създаването на термична среда.

Защо температурата е по-важна при големи мащаби

Термичните градиенти (или температурните вариации по детайла) обикновено са малки при по-малки отпечатъци. Охлаждането на материала е сравнително равномерно. Но когато размерът и масата на детайла значително нараснат:

1.Топлинната маса доминира: Масата в големи количества се държи по различен начин в сравнение с малки количества и абсорбира и задържа топлината по различен начин. Централната част на дебелата секция изстива значително по-бавно в сравнение с тънките стени или външната им повърхност.

2.Увеличение на градиента: Малки отпечатъци ще покажат незначителни разлики в температурите в малък отпечатък, които при увеличаване в голям отпечатък създават значителни градиенти. Такива градиенти предизвикват диференциално свиване, докато материала се охлажда и минава през фазовите си промени (втвърдяване).

3.Натрупване на вътрешно напрежение: Диференциалното свиване има директен превод във вътрешни напрежения. Когато такива напрежения надвишат съединителната сила на материала във всяка точка по време на процеса на отпечатване или охлаждане, резултатът е деформация, отделяне на слоеве, пукнатини или пълно разрушаване на детайла. Колкото по-голям е детайла, толкова по-голяма е възможната сила на напрежението.

4.Инерция на камерата: При наличието на сравнително постоянна температура на околната среда, трудно се постига в голяма строителна камера с голям компонент, генериращ топлина. Невъзможни са ситуации с области с ниска температура около врати или вентилационни отвори и области с висока температура около нагреватели или електрически уреди.

Температурно зониране: Стратегическият подход

Температурното зониране, известно още като стратегическо създаване и управление на температурни зони в строителната камера и върху детайла. Това не се прави с цел постигане на еднаква температура на всяко място; става дума за управление на температурните градиенти по такъв начин, че да се предотвратят вредни напрежения. Най-важните стратегии са:

1.Загряване на повърхността с няколко зони: По-точното загряване подобрява резултатите при използване на големи повърхности. Независим контрол позволява на операторите да добавят относително малко топлина по външните ръбове (където има склонност към бързо охлаждане) или да компенсира по-студените зони на повърхността. Това осигурява по-добра еднаквост на залепването и стабилност на първия слой по цялата зона.

2.Контролируемо загряване и зониране на камерата: Напреднали системи разполагат с няколко независимо контролирани нагревателни елемента, разположени в различни зони около камерата (стени, таван, дори под в някои случаи). Това позволява:

Еднаква температура в камерата: Борба с естествената конвекция и загубата на топлина чрез излъчване, за поддържане на стабилна висока температура в камерата, която е критична за много инженерни материали.

Целево загряване: Добавяне на допълнителна енергия в зоните, където се отпечатват по-масивни и дебели части от детайла, за да се забави охлаждането им в сравнение с по-тънките части, намалявайки термичния градиент между тях.

3.Управление на насочения въздушен поток: Въздушният поток обикновено се свързва с охлаждане, но е важно да се отбележи, че въздушният поток играе много значителна роля при зонирането на температурата. Стратегически разположени сопла или регулируеми вентилатори могат да:

Предотвратяват горещи точки: Насочват мекия въздух, за да се предотвратяват въздушни джобове с висока температура около източниците на топлина или претъпканите участъци от детайла.

Спомагат за равномерно охлаждане: Помага за по-точно контролирани скорости на охлаждане в желаните температури, особено при контролираното охлаждане след отпечатване.

Локално охлаждане (използвайте с внимание): Забавеното локално охлаждане на много малки, точно определени характеристики, които изискват бързо втвърдяване (като например конзоли), може да се прилага с много голям риск и трябва абсолютно да се контролира, за да се предотвратят нови, разрушителни градиенти в околния район.

4.Интегриране на параметри на процеса: Зонирането на температурата не е хардуер. Важни са техниките за нарязване:

Адаптивно време на слоевете: Автоматично забавяне и ускоряване на печатането при по-големи слоеве (за осигуряване на повече време за охлаждане на големите слоеве) и по-малки слоеве (които се охлаждат по-бързо по природа).

Поредност на инструменталните пътища: Поредността на движението на съоръжението може да повлияе върху локалното натрупване на топлина, ако се използва по най-ефективния начин. Печатането на съседни участъци ще позволи известно охлаждане между проходите, вместо концентриране на топлината в определена зона.

Нюанси на материала

Различни материали не реагират по един и същ начин на термичното управление. Полу-кристалните пластмаси (като повечето нейлони, PEEK) имат значително количество обемно свиване при кристализация и силно зависят от скоростта на охлаждане. Аморфните материали (като ABS или PC) обикновено са по-малко чувствителни, но имат тенденция да се деформират поради големите градиенти. Стратегията на зониране трябва допълнително да се определи във връзка с оптимизацията на материала, който се отпечатва, като трябва да се има предвид специфицираният термичен ефект и поведението при фазови промени.

Печалбата: Надеждност и качество в мащаб

Сложният температурен капацитет на отпечатване от няколко килограма не е просто модернизация, а често път към почти сигурен успех. Предимствата са големи:

Резко намалено изкривяване и пукане: Поддържат се размерната точност и структурната цялост чрез минимизиране на вътрешните напрежения.

Подобрена адхезия между слоевете: Най-добрата адхезия между слоевете се постига при постоянни температури.

Подобрено качество на повърхността: Подобрена еднаквост по цялата повърхност води до по-малко повърхностни артефакти като лоши завършвания или така нареченото 'призрачно изображение'.

Повишен успех при първия слой и добро сцепление с платото: Платата за изграждане с контрол по зони позволява изграждане върху големи площи с висок успех.

По-голяма съгласуваност на материалните свойства: Контролирана е топлинната история, което води до по-предвидими механични свойства на детайла.

По-висок добив и по-ниски нива на отпадък: Намалени са разходите за ресурси и производствени разходи в резултат на по-малко неуспешни отпечатвания.

Потенциал за енергийна ефективност: Процесът на загреване само на желаната област може да бъде по-енергийно ефективен в сравнение с загреването на цялата широка камера до много висока степен.

Заключение

С преминаването на адитивното производство към мащаби, надхвърлящи малки и леки високорезолютивни, но не и структурно критични детайли, овладяването на топлинната среда се превръща в необходимост. Ключът към справянето с увеличените топлинни предизвикателства при печатането на обекти с тегло няколко килограма е температурното зониране – а именно точно определено и контролируемо разпределение на топлината в обема на изграждане. Това извежда големия 3D печат извън територията на високия риск и го превръща в надежден и възпроизводим производствен процес, който може да осигури висококачествени компоненти с минимално напрежение. Става дума не само за избягване на неуспех, но и за холистично мислене относно управлението на топлинната среда, с цел разкриване на потенциала на адитивното производство в индустриален мащаб.