Температурно зонирање за операције 3D штампања више килограма

Još uvek postoje izazovi u prelasku na proizvodnju komponenti od više kilograma metodom 3D štampe, dok je prelazak dalje od prototipske proizvodnje ili proizvodnje u malim serijama jedinstven izazov u inženjerstvu. Iako svi navedeni aspekti imaju značaja, ispostavilo se da je jedan od ključnih, a ipak najčešće potcenjenih zahteva u operacijama velikoskalne aditivne proizvodnje pravilno kontrolisana i dosledno ostvarena termalna zonacija u okviru gradjevinskog volumena. Stvar je u tome da se ne radi samo o zagrevanju ploče, već o projektovanju termalne sredine.

Zašto temperatura postaje važnija u većim razmerama

Termalni gradijenti (ili varijacije temperature po delu) generalno su mali kod manjih štampanja. Materijal se relativno ravnomerno hladi. Međutim, kada se značajno poveća veličina i masa dela:

1.Termalna masa dominira: Masa u velikim količinama ponaša se drugačije u odnosu na manje količine, jer apsorbuje i zadržava toplotu na različite načine. Centar debelog preseka znatno duže odvaja toplotu u poređenju sa tankim zidovima ili njihovom spoljašnjom površinom.

2.Povećanje gradijenta: Na malim štampama manje razlike u temperaturi postaju uočljive kada se štampa uveća, čime se stvaraju značajni gradijenti. Takvi gradijenti izazivaju diferencirano skupljanje materijala dok se hladi i prolazi kroz faznu promenu (otvrdnjavanje).

3.Nakupljanje unutrašnjih napona: Diferencirano skupljanje direktno prelazi u unutrašnje napone. Kada ti naponi premaše kohezionu čvrstoću materijala u bilo kojoj tački tokom procesa štampe ili hlađenja, rezultat je izobličenje, odvajanje slojeva, pucanje ili potpuni lom dela. Što je deo veći, to je veća moguća jačina napona.

4. Inercija komore: Održavanje prilično konstantne temperature u velikoj gradnjevnoj komori sa velikim komponentama koje proizvode toplotu je izazovno. Nastaju neprijatne situacije poput hladnih tačaka u blizini vrata ili ventilacija i vrućih tačaka u blizini grejača ili električnih uređaja.

Temperaturno zoniranje: Strateški pristup

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

1.Грејање градијентне плоче у више зона: Фино мрежно грејање побољшава функционалност код крупних градијентних плоча. Независна контрола омогућава операторима да додају умерену количину топлоте на спољашње ивице (где постоји склоност брзом хлађењу) или да избалансирају познате хладније делове на плочи. То побољшава једноликост прилијегања и стабилност првог слоја у оквиру целокупне површине.

2. Контрола грејања и зонирања просторије: Напредни системи имају низ независно контролисаних елемената за грејање који се налазе у различитим областима просторије (зидови, тавани, а у неким случајевима и под). Ово омогућава:

Уједначена температура околине: Борба против природне конвекције и топлотног зрачења како би се одржала стабилна висока температура у просторији, што је критично за многе инжењерске материјале.

Циљано грејање: Додавање веће количине енергије у областима где се штампају дебљи делови дела, чиме се успорава њихово хлађење у односу на танке делове, те се смањује температурни градијент између њих.

3. Upravljanje usmerenim vazdušnim tokom: Vazdušni tok je u vezi sa hlađenjem, ali važno je naglasiti da vazdušni tok igra značajnu ulogu u zoniranju temperature. Sopstveni mlaznici ili upravljivi ventilatori, postavljeni na strategijskim lokacijama mogu:

Sprečiti nastajanje vrućih tačaka: Okretanje mekog vazduha, da bi se sprečilo stvaranje džepova vrućeg vazduha oko izvora toplote ili gužvanih delova komada.

Promovisati ravnomerno hlađenje: Pomaže u stvaranju preciznije kontrolišanih brzina hlađenja na temperaturama koje su poželjne, posebno kod kontrolišanog hlađenja nakon štampanja.

Lokalno hlađenje (Koristiti oprezno): Sporoz lokalno hlađenje veoma malih, ciljanih karakteristika koje zahtevaju brzo očvršćavanje (kao što su preklopi) može se koristiti veoma oprezno i mora biti apsolutno kontrolisano da bi se sprečili novi, destruktivni gradijenti u okolini.

4. Integracija parametara procesa: Zoniranje temperature nije hardver. Tehnike sečenja su važne:

Prilagodljivo vreme slojeva: Automatsko usporenje i ubrzavanje štampe na većim slojevima (kako bi se omogućilo više vremena za hlađenje većih slojeva) i manjim slojevima (koji se prirodno brže hlade).

Redosled putanje alata: Redosled putanje alata može da utiče na lokalno nakupljanje toplote ako se iskoristi na najefikasniji način. Štampa u susednim sekcijama omogućava izvesno hlađenje između prolazaka, za razliku od koncentracije toplote u određenoj zoni.

Nijanse materijala

Различити материјали се не понашају на исти начин уз термално управљање. Полу-кристалне пластике (као што су већина нилона, PEEK) имају значајну количину запреминског скупљања при кристализацији и веома зависе од брзине хлађења. Аморфни материјали (као што су ABS или PC) мање су осетљиви, али имају тенденцију појаве изобличења услед великих градијената. Статегија зонирања треба да буде дефинисана у вези са оптимизацијом материјала који се штампа, при чему треба имати на уму наведене термалне ефекте и понашање фазних промена.

Плус: Поузданост и квалитет у великој серији

Напредна контрола температуре у зонама код штампања више килограма није само надоградња, већ често пут ка скоро сигурном успеху. Предности су значајне:

Драстично смањено изобличење и пуцање: Тачност димензија и структурна интегритет се одржавају минимизирањем унутрашњих напона.

Побољшана адхезија слојева: Најбоља веза између слојева постиже се константном температуром.

Poboljšan kvalitet površine: Poboljšana jednoličnost preko cele površine rezultira manje grešaka na površini kao što su loši završni efekti ili tzv. 'ghosting'.

Povećana uspešnost prvog sloja i bolje prianjanje uz ploču: Ploče za izradu sa kontrolom po zona omogućavaju izradu preko većih površina sa visokim nivoom uspešnosti.

Veća doslednost karakteristika materijala: Kontrolisana termalna istorija rezultira predvidivijim mehaničkim svojstvima delova.

Veći prinos i niža stopa otpada: Smanjenje neuspešnih štampanja pozitivno utiče na korišćenje resursa i troškove proizvodnje delova.

Potencijal za energetsku efikasnost: Proces zagrevanja određenih zona može biti energetski efikasniji u odnosu na zagrevanje cele široke komore na veoma visoku temperaturu.

Закључак

Kada se aditivna proizvodnja pomera izvan proizvodnje sitnih i laganh delova visoke rezolucije, koji nisu strukturno kritični, potrebno je uspostaviti kontrolu nad toplotnim okruženjem. Ključ za rešavanje povećanih termalnih zahteva pri štampanju višekilogramskih delova je temperaturno zoniranje, odnosno precizna i kontrolisana distribucija toplote unutar radnog prostora. Ovo izvlači velikoskalnu 3D štampu iz zone visokog rizika i premešta je u oblast pouzdane i ponovljive proizvodne procedure koja može obezbediti komponente visokog kvaliteta sa minimalnim naponima. Radi se ne samo o izbegavanju kvarova, već i o holističkom razmišljanju o upravljanju termalnim okruženjem kako bi se ostvario potencijal industrijske aditivne proizvodnje.