Temperaturno Zoniranje za 3D Tiskanje Višekilogramskih Komponenti

I dalje postoje izazovi u razvoju proizvodnje komponenti od više kilograma koristeći 3D štampu, a prelazak izvan faze prototipiranja ili proizvodnje manjih serija predstavlja jedinstven izazov u inženjerstvu. Iako svi navedeni aspekti imaju značaja, jedan od ključnih, a ipak najčešće potcjenjivani zahtjev velikih operacija aditivne proizvodnje, pokazuje se kao dobro kontrolirano i dosljedno ostvarenje termalnog zoniranja unutar gradnog volumena. Stvar je u tome da se ne radi samo o zagrijavanju ploče, već o projektovanju termalne okoline.

Zašto temperatura postaje važnija u većim mjerilima

Termalni gradijenti (ili varijacije temperature na dijelu) općenito su mali kod manjih štampanja. Materijal se relativno ravnomjerno hladi. Međutim, kada se veličina i masa dijela znatno povećaju:

1. Topleinska masa dominira: Masa u velikim količinama ponaša se drugačije u odnosu na manje količine, te apsorbira i zadržava toplinu na različite načine. Sredina debelog presjeka puno dulje traje da se ohladi u usporedbi s tankim stijenkama ili vanjskom površinom.

2. Pojačanje gradijenta: Male tiskovine pokazuju manje razlike u temperaturama koje kod većih tiskovina postaju značajni gradijenti. Takvi gradijenti izazivaju diferencijalno skupljanje dok se materijal hladi i prolazi kroz faznu promjenu (zaleđivanje).

3. Povećanje unutarnjeg naprezanja: Diferencijalno skupljanje izravno se prenosi na unutarnja naprezanja. Kada ta naprezanja prijeđu kohezivnu čvrstoću materijala na bilo kojoj lokaciji tijekom procesa tiskanja ili hlađenja, rezultat je izobličenje, odvajanje slojeva, pukotine ili potpuni lom dijela. Što je dio veći, veća je moguća veličina naprezanja.

4. Inercija komore: Održavanje prilično stabilne temperature okoline u velikoj gradnjevnoj komori s velikim komponentama koji proizvode toplinu je zahtjevno. Nastaju nepovoljne situacije poput područja hladnih točaka oko vrata ili ventilacijskih otvora i područja vrućih točaka oko grijača ili električnih uređaja.

Temperaturno zoniranje: Strateški pristup

Temperaturno zoniranje, poznato i kao strateško stvaranje i upravljanje temperaturnim zonama unutar gradnjevne komore i na samom dijelu. Cilj nije postizanje jednolike temperature na bilo kojoj točki; radi se o upravljanju temperaturnim gradijentima na način da se smanje štetni naponi. Najvažnije strategije uključuju:

1.Zonirano grijanje ploče za izradu: Fino podešeno grijanje poboljšava učinak na velikim pločama za izradu. Neovisna kontrola omogućuje operatorima da dodaju relativno malo topline na vanjske rubove (gdje postoji sklonost brzom hlađenju) ili da izjednače poznata hladnija područja na ploči. To doprinosi boljoj jednoličnosti adhezije i stabilnosti prve slojeve na cijeloj površini.

2.Kontrolirano grijanje komore i zoniranje: Napredni sustavi imaju niz neovisno upravljivih grijaćih elemenata smještenih u različitim dijelovima komore (zidovi, strop, pa čak i pod u nekim slučajevima). To omogućuje:

Jednoličnost okolnog prostora: Borba protiv prirodnog konvekcijskog i radijacijskog gubitka topline kako bi se održala stabilna visoka temperatura u komori, što je kritično za mnoge inženjerske materijale.

Ciljano grijanje: Dodavanje malo više energije na mjestima gdje se izrađuju debeli dijelovi komada kako bi se usporilo njihovo hlađenje u usporedbi s tankim dijelovima, smanjujući time temperaturni gradijent između njih.

3.Upravljanje usmjerenim protokom zraka: Protok zraka je općenito povezan s hlađenjem, važno je napomenuti da protok zraka igra vrlo značajnu ulogu u zoniranju temperature. Sustavni mlaznici ili upravljivi ventilatori, strategijski smješteni mogu:

Sprečiti pojave vrućih točaka: Okretati meki zrak kako bi se spriječila stvaranja vrućih zraka oko izvora topline ili gužvanih dijelova.

Promicati jednoliko hlađenje: Pomaže stvoriti jasno kontrolirane brzine hlađenja na temperaturama gdje je to poželjno, posebno kod kontroliranog hlađenja nakon ispisa.

Lokalizirano hlađenje (Koristiti s oprezom): Sporo lokalizirano hlađenje vrlo malih, ciljanih karakteristika koje zahtijevaju brzo krutnutje (kao što su konzole) može se koristiti s velikim oprezom i mora biti apsolutno kontrolirano kako bi se spriječili novi, destruktivni gradijenti u okolici.

4.Integracija procesnih parametara: Zoniranje temperature nije hardver. Tehnike izrada slojeva su važne:

Prilagodljiva brzina slojeva: Automatsko usporenje i ubrzavanje ispisa kod većih i manjih slojeva (radi više vremena za hlađenje kod većih slojeva, dok manji slojevi hladnju prirodno brže).

Sekvenciranje alatnih putova: Sekvenciranje alatnih putova može uticati na lokalno nakupljanje toplote ako se iskoristi na najbolji mogući način. Ispisivanje susjednih sekcija omogućit će djelimično hlađenje između prolazaka, za razliku od koncentriranja topline u određenoj zoni.

Materijalne nijanse

Različiti materijali ne reagiraju jednako na upravljanje toplinom. Polukristalni plastični materijali (kao što su većina nylona, PEEK) imaju veliku količinu volumetrijskog skupljanja pri kristalizaciji i u velikoj mjeri ovise o brzini hlađenja. Amorfni materijali (kao što su ABS ili PC) manje su osjetljivi, ali imaju tendenciju izobličenja zbog velikih gradijenata. Strategija zoniranja treba biti definirana u vezi s optimizacijom materijala koji se koristi u tiskanju, s obzirom na navedene toplinske učinke i ponašanje pri promjeni faze.

Plod: Pouzdanost i kvaliteta u velikim količinama

Napredna mogućnost zoniranja temperature kod tiskanja više kilograma nije samo nadogradnja, već često i put do gotovo sigurnog uspjeha. Prednosti su značajne:

Drastično smanjeno izobličenje i pucanje: Točnost dimenzija i strukturna otpornost održavaju se minimiziranjem unutarnjih naprezanja.

Poboljšana adhezija između slojeva: Adhezija između slojeva postiže se pri konstantnim temperaturama.

Poboljšana kvaliteta površine: Unaprijeđena jednoličnost cijele površine rezultira manje površinskih nedostataka poput loših završnih obrada ili tzv. 'ghostinga'.

Povećana uspješnost prvog sloja i prianjanje na ploču: Ploče za izradu s kontrolom zona omogućuju izgradnju na velikim površinama s visokom stopom uspješnosti.

Veća dosljednost svojstava materijala: Kontrolirana termalna povijest rezultira predvidivijim mehaničkim svojstvima dijelova.

Viši prinos i niža stopa otpada: Smanjenje neuspješnih ispisa pozitivno utječe na učinkovitu upotrebu resursa i trošak proizvodnje dijela.

Potencijal energetske učinkovitosti: Proces zagrijavanja određenog područja može biti energetski učinkovitiji od zagrijavanja cijele široke komore na vrlo visoku temperaturu.

Zaključak

Kako bi aditivna proizvodnja prešla izvan područja malih i laganih dijelova s visokom razlučivošću, ali bez strukturne važnosti, potrebno je potpuno razumijevanje toplinskog okolia. Ključ za rukovanje povećanim toplinskim zahtjevima tiskanja više kilograma materijala je temperaturno zoniranje, odnosno specifična i kontrolirana distribucija topline unutar volumena izrade. Ovo pomicanje velikih 3D tiskalica iz područja visokog rizika u pouzdanu i ponovljivu proizvodnu proceduru omogućuje izradu komponenata visoke kvalitete s minimalnim naponima. Riječ je ne samo o izbjegavanju kvara, već i o holističkom razmišljanju o upravljanju toplinskim okolišem kako bi se ostvario potencijal aditivne proizvodnje u industrijskom mjerilu.