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ASU研究员开发出去除金属3D打印部件支撑的新方法

2017-04-21 09:19
小伊琳
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近日,亚利桑那州立大学(ASU)研究人员开发出了可以将Holy Grail解决方案用于加快端到端金属3D打印流程的方法。

ASU 3D Nanofabrication助理教授Owen Hildreth正在开发新的反应性银墨生产方法,他参加了ASU理工学院制造研究与创新中心的谈话。其中一位发言人Timothy Simpson描述了建立3D打印实验室所面临的实际挑战。

启发符合时间

作为宾夕法尼亚州立大学的直接数字沉积创新材料加工中心的研究教授,Simpson特别感兴趣此合作。而且,任何与金属AM合作的人都知道,支撑结构(特别是散热系统中的热传导和锚固必需)需要长时间的手工切割和打磨。Simpson在谈话中提到:“如果有人知道一种水溶性金属,我们可以使用其3D打印支撑结构。”

作为参考,Stratasys是热塑性塑料应用的3D打印公司之一,在几年前开发了可溶解支撑的方法。凭借公司的熔融沉积模型(FDM)系统,该设备为部件本身提供了ABS材料,并将可溶解的PLA用于支撑。尽管如此,但对于金属来说,尚未发现一种类似的方法。

Hildreth表示,他回应是:“如果控制当地的化学环境,任何金属都可以溶解,这只是氧化物表面层(不管具体的3D打印金属技术如何生产)”,他认为他可以使用诸如用于保护不锈钢船体不腐蚀的牺牲阳极的原理来绕过氧化物问题,让别的东西具有首当其冲的效果。

采取电化学方法

Hildreth拥有机械工程学士学位与博士学位。在纳米制造材料工程中,其为金属支撑问题带来新的视角。与使用诸如电火花线切割设备的机械工具相比,他的概念将会使金属AM部件的某些区域在浸入腐蚀性溶液中时发生化学反应。目标是产生可控制的退化,这种退化会逐渐去除支撑,但实际上部件几乎保持不变。

Hildreth进行了几个场景的测试。他首先要求Simpson采用宾夕法尼亚州立大学的Optomec直接金属沉积系统创建1英寸不锈钢拱门,碳钢支架开口。与鼓泡氧气一起使用的硝酸溶液,由饱和氢电极控制,成功蚀刻掉碳钢。

然而,由于多材料3D打印系统尚未广泛使用,Hildreth还研究了选择性地去除粉末床金属3D打印部件支撑物的方法。从一个简单的演示设计开始,一个小巧的17-4不锈钢圆柱体,3D打印了一排100微米直径的针状支撑,他测试了两种可能的方法。

第一个称为直接溶解,部分被热处理,同时填充亚铁氰化钠;该步骤沉淀出大量的保护性碳化铬,使不锈钢不易被化学腐蚀。后一个过程是成功的,但是该部分本身经历了显著的蚀刻,这部分时间越长,该部分被允许用于解决方案中。

大幅度缩短后处理时间

为了使该方法更具时间敏感性(自终止),Hildreth在后续打印退火步骤中引入了敏化剂六氰酸铁钠。在高温下,这种化学物质会分解并扩散到不锈钢部件中的碳和氮,以有效地将顶部100至200微米转化为碳钢而不是不锈钢。由于支撑物仅为约125微米厚,因此它们完全具备敏感度,而只有实际部件的薄壳才能转化。通过施加正确的偏置电压,支撑体会受到阳极腐蚀,而部件本身起着阴极的作用,并保持保护。

在EOS激光烧结粉末床系统上制造的互锁不锈钢环上进行了一个很好的测试,因为部件具有嵌套的密集垂直支撑。零件蚀刻7小时后,部件从支撑件中脱落;这可能看起来是一段很长的时间,但是传统的机械加工也需要32到40个小时来做同样的工作。

据悉,车间的成本通常在每小时30到100美元之间,这种大多数无人值守的自动终止过程在成本、时间和复杂性方面节省了大量的成本。

Hildreth最近在3D打印方面的成绩颇为突出。目前,他正在寻求资金来改进流程,并将其扩展到使用不同解决方案和工艺参数的其他金属工艺中。

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