Teplotné zóny pre 3D tlačové operácie s viacerými kilogramami

Stále ešte existujú výzvy pri prechode na výrobu viac ako kilogramových 3D tlačených komponentov a posun mimo prototypovanie alebo výrobu malých sérií predstavuje jedinečnú inžiniersku úlohu. Hoci všetky uvedené aspekty zohrávajú svoju úlohu, jednou z kľúčových a pritom najmenej oceňovaných požiadaviek pri priemyselnej additive výrobe je dostatočne kontrolované a trvalo dosiahnuté teplotné zónovanie po celom výstavbovom priestore. Problém nie je v tom, že by sa mala zahrievať podložka, ale skôr v tom, že je potrebné správne navrhnúť tepelné prostredie.

Prečo je teplota v priemyselnej škále dôležitejšia

Tepelné gradienty (alebo teplotné výkyvy počas výroby súčiastky) sú v prípade menších výtlačkov zvyčajne malé. Materiál sa relatívne rovnomerne ochladzuje. Ale keď veľkosť a hmotnosť súčiastky výrazne narastie:

1. Tepelná hmotnosť je dominantná: Hmotnosť, v prípade veľkého množstva, pôsobí inak ako v menších množstvách a pohlcuje a udržiava teplo odlišným spôsobom. Stred hrubej časti potrebuje na ochladenie oveľa dlhší čas v porovnaní s tenkými stenami alebo ich vonkajším povrchom.

2. Zosilnenie gradientu: Malé výtlačky zobrazia drobné rozdiely v teplotách v malom výtlačku, ktoré pri zväčnení na veľký výtlačok vytvárajú významné gradienty. Takéto gradienty vyvolávajú rozdielne zmrštenie materiálu počas ochladzovania a prechodu medzi fázami (zatuhnutie).

3. Vznik vnútorného napätia: Rozdielne zmrštenie sa priamo prejavuje ako vnútorné napätie. Ak takéto napätie prekročí súdržnú pevnosť materiálu v akomkoľvek mieste počas procesu tlačenia alebo ochladzovania, výsledkom je skrivenie, odlupovanie vrstiev, praskliny alebo úplné prelomenie súčiastky. Čím väčšia je súčiastka, tým vyššia je intenzita možného napätia.

4. Zotrvačnosť komory: Udržať pomerne konštantnú okolitú teplotu v celej veľkej stavebnej komore s veľkými teplo vyvíjajúcimi komponentmi je ťažké. Vznikajú neprijemné situácie, ako napríklad chladné miesta okolo dverí alebo ventilov a horúce miesta okolo ohrievačov alebo elektrických spotrebičov.

Teplotné zóny: Stratégický prístup

Rozdelenie na teplotné zóny, známe aj ako strategické vytváranie a ovládanie teplotných oblastí vo vnútri stavebnej komory a priamo na súčiastke. Nie je cieľom dosiahnuť v každom mieste rovnakú teplotu; ide o správne riadenie teplotných gradientov tak, aby sa minimalizovali škodlivé napätia. Najdôležitejšie stratégie zahŕňajú:

1. Ohrev zostavovacej dosky s viacerými zónami: Jemnejšie rozdelenie ohrevu zlepšuje výsledok pri veľkých zostavovacích doskách. Nezávislé ovládanie umožňuje operátorom pridať relatívne málo tepla na vonkajšie okraje (kde existuje tendencia k rýchlemu ochladzovaniu) alebo vyrovnávať známe chladnejšie oblasti na doske. To zabezpečuje lepšiu rovnomernosť priľnavosti a stabilitu prvej vrstvy po celom výtlaku.

2. Riadený ohrev komory a jej zónovanie: Pokročilé systémy majú sériu nezávisle riadených vyhrievacích elementov umiestnených v rôznych oblastiach komory (steny, strop, v niektorých prípadoch dokonca aj podlaha). To umožňuje:

Rovnomernosť prostredia: Bojovať proti prirodzenej konvekcii a stratám tepla žiarením, aby sa udržala stabilná vysoká teplota v komore, ktorá je kritická pre mnohé inžinierske materiály.

Cieľový ohrev: Pridanie trochu väčšieho množstva energie do oblastí, kde sa tlačia hrubšie časti súčiastok, aby sa spomalilo ich ochladzovanie v porovnaní s tenkými časťami, čím sa zníži teplotný gradient medzi nimi.

3. Riadenie prúdenia vzduchu: Prúdenie vzduchu je zvyčajne spojené s chladením, no je dôležité zdôrazniť, že prúdenie vzduchu zohráva významnú úlohu pri tvorbe teplotných zón. Trysky alebo riaditeľné ventilátory, ktoré sú strategicky umiestnené, môžu:

Zabrániť vzniku horúcich miest: Pretáčať jemný vzduch, aby sa zabránilo tvorbe vreciek s horúcim vzduchom okolo zdrojov tepla alebo v husto obsadených častiach súčiastky.

Podporiť rovnomerné chladenie: Pomáha vytvoriť lepšie kontrolované rýchlosti chladenia v požadovaných teplotách, najmä počas riadeného ochladzovania po vytlačení.

Lokálne chladenie (používať opatrne): Pomalé lokálne chladenie veľmi malých, cielene zacielnených častí, ktoré vyžadujú rýchle tuhnutie (ako napríklad previsy), môže byť použité veľmi opatrne a musí byť úplne kontrolované, aby sa zabránilo vzniku nových deštruktívnych gradientov v okolí.

4. Integrácia procesných parametrov: Teplotné zonovanie nie je výhradne otázkou hardvéru. Dôležitú úlohu zohrávajú aj techniky rezania:

Adaptívne časy vrstiev: Automatické spomalenie a urýchlenie tlače pri rozsiahlych vrstvách (aby sa veľkým vrstvám poskytlo viac času na stratenie tepla) a pri malých vrstvách (ktoré sa chladia prirodzene rýchlejšie).

Sekvenčné riadenie dráhy nástroja: Sekvenčné riadenie dráhy nástroja môže ovplyvniť lokálne hromadenie tepla, ak sa využije optimálne. Tlač v susediacich sekciách umožní isté vylúhnutie tepla medzi jednotlivými priechodmi, na rozdiel od koncentrácie tepla v konkrétnej zóne.

Nuansy materiálu

Rôzne materiály nereagujú na riadenie tepla rovnako. Polokryštalické plasty (ako väčšina nylonov, PEEK) vykazujú veľké množstvo objemového smršťovania pri kryštalizácii a výrazne závisia od rýchlosti chladenia. Amorfné materiály (ako ABS alebo PC) sú menej citlivé, ale majú tendenciu krivkať kvôli veľkým gradientom. Stratégia zón by mala byť navyše definovaná v súvislosti s optimalizáciou materiálu, ktorý sa tlačí, a mala by byť vedomá špecifikovaného tepelného efektu a správania pri fázových zmenách.

Výsledok: Spoľahlivosť a kvalita vo veľkom meradle

Pokročilá funkcia zónovej teploty pri tlači viac ako kilogramu nie je len vylepšením, ale často cestou k takmer bezchybnému úspechu. Výhody sú významné:

Výrazne znížené krivdenie a praskanie: Presné rozmery a štrukturálna integrita sa udržiavajú minimalizovaním vnútorného napätia.

Zlepšená adhézia medzi vrstvami: Najlepšia adhézia medzi vrstvami sa dosahuje pri konštantných teplotách.

Vylepšená kvalita povrchu: Zlepšená rovnomernosť po celom povrchu spôsobuje menej chýb na povrchu, ako sú napríklad nekvalitný povrchový úpravy alebo tzv. ghosting.

Zvýšená úspešnosť prvej vrstvy a lepšia adhézia k podložke: Zónovo riadené výstavbové dosky umožňujú výstavbu na veľkých plochách s vysokou úspešnosťou.

Vyššia konzistencia vlastností materiálu: Riadená tepelná história vedie k predvídateľnejším mechanickým vlastnostiam výsledného dielu.

Vyšší výnos a nižšia miera odpadu: Zníženie počtu neúspešných výtlačkov má pozitívny dopad na využitie zdrojov a náklady na výrobu dielu.

Potenciál energetickej účinnosti: Proces zahrievania len požadovanej oblasti môže byť energeticky účinnejší než zahrievanie celej veľkej komory na veľmi vysokú teplotu.

Záver

S aditívnou výrobou, ktorá sa presúva mimo malých a ľahkých častí s vysokým rozlíšením, ale nie sú konštrukčne kritické, sa ovládanie tepelného prostredia stalo nevyhnutnosťou. Kľúčom k riešeniu zvýšených tepelných problémov pri tlačových operáciách s množstvom tlače viac ako kilogramov je zónovanie teploty alebo špecifické a riadené rozloženie tepla v objeme výroby. Vytvárajú 3D tlač na veľkom meradle, ktorá sa vyvíja mimo rizikového priestoru a využíva spoľahlivý, opakovateľný výrobný postup, ktorý dokáže poskytnúť vysoko kvalitné komponenty s minimálnym stresom. Nie je to len prevencia zlyhaní, ale celistvé premýšľanie o riadení tepelného prostredia, aby sa uvoľnil potenciál priemyselnej výroby aditívnych látok