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要約

遠心鋳造を有するポリマーの3D印刷を組み合わせた間接的な添加剤の製造方法は、0.5mmの壁の厚さ5mmの単位セル長さを有する3次元オクテットトラス金属（AlとCuの合金）を製造するために概説されています。

要約

3D格子金属を製造する典型的な方法の1つは、選択的レーザ溶融（SLM）及び電子ビーム（EBM）溶融として直接金属添加物の製造（AM）プロセスです。その潜在的な処理能力にもかかわらず、直接AM方式は、高コスト、最終製品の貧弱な表面仕上げ、制限材料選択において、高い熱応力、および部品の異方性の性質のようないくつかの欠点があります。我々は、3次元格子金属を製造するためのコスト効果的な方法を提案します。本研究の目的は、複雑な形状と薄い壁厚を有する3次元格子金属の製造に関する詳細なプロトコルを提供することである5mmの単位セル長さとセル壁の厚さを有するAlとCuの合金で作られ、例えば 、オクテットトラス0.5mmの。 （a）は犠牲パターンの3D印刷（b）は、支持材料の溶融アウト（C）支持材料の残留物の除去（d）のパターンassembl：全体的な実験手順は、8つのセクションに分割されY（e）の投資（f）は、最終製品の犠牲パターン（g）の遠心鋳造（h）の後処理のバーンアウト。提案した間接的なAM技術は、超軽量の格子金属を製造する可能性を提供する。 例えば 、格子構造をAl合金で。間接的なAM技術によりオクテットトラス金属の最終生成物を観察し、プロセスパラメータを適切な材料及び格子形状に応じて制御する必要があると思われます。

概要

携帯金属が固体ストラットまたはプレートの相互接続されたネットワークで構成された金属であるとボイドとの複雑なマイクロアーキテクチャを有する1。例としては、I）ランダム構造確率フォームの両方を含む、およびii）周期的に2次元ハニカム三次元（3D）の格子トラス構造を命じました。彼らは、その高い比剛性と強度1-3と高い特定の弾力4-5、衝撃荷重6、防音7、熱放散と熱交換器8の可能な設計のための優れたエネルギー吸収に注目を集めています。特に、定期的に規則格子構造は、内部多孔性ネットワークの形状を制御する能力を有する優れた特性を設計する可能性を秘めています。

それらの複雑な内部多孔性ネットワークの形状には、従来のサブトラクティブmachininを用いた携帯金属を製造することは困難ですグラム。このように、研究者らは、細胞の金属を製造するための代替方法を探し始めている：液体金属中のガスを形成するか、発泡剤と金属粉末を混合確率的金属形態9を製造するために調べました。細胞のトポロジーの制御の欠如のため、機械的特性を調整することは困難です。また、定期的に注文した携帯金属の製造方法が模索された：周期構造10を作成するためにそれらを接合することにより、その後の波形形状に金属の薄いシートを打ち抜き、接合は繊維製品13を製造するために金属板11、押出12、織りや燃える金属フィラメントをスロット。これらの製造方法は、反復パターンを提供していても、パターンが依然として平面方向に制限されています。 3Dパターンの繰り返しを生成するための努力では、研究者は、添加剤製造（AM）を使用して開始し、 例えば 、選択的レーザ溶融（SLM）14、電子ビーム溶融（EBM） 15、およびダイレクトメタルレーザー焼結（DMLS）16。 3Dは、複雑な格子形状を注文製作する能力にもかかわらず、まだいくつかの制限が存在する：レーザー又は電子溶融中「ボーリング」現象と難易度の高い熱伝導性と高い光反射率17と金属を使用して、高い熱残留応力18、貧弱な表面仕上げを積層製造の複合効果による部品19、異方性20-21、粒子、粉末の大きさ、レーザまたは電子ビーム15のパワー及び走査速度、高いエネルギー消費などの異方性形成。

金属鋳造でポリマーベースのAMを組み合わせることで格子金属を製造する代替方法を提供することができます。一つは、この「間接AM」を呼び出すことができます。間接的なAMは、上記金属の直接AMの技術的問題を克服するための解決策を提供することができます。いくつかの努力がミリアンペアされていますデ22-25をキャストベースの重力を有するポリマーの3Dプリントを組み合わせた間接的なAMを使用して、格子の金属を製造する; 例えば 、熱溶解積層法（FDM）と組み合わせインベストメント鋳造法を砂の粉と合わせ格子合金22-25または砂型鋳造を製造するためにAM 23ベース。彼らは、格子構造の金型25から26の鋭い角を持つネットワーク構造を満たしたときに溶融金属の突然の凝固によって引き起こさ湯回り不良及び多孔性-重力系鋳造を克服するための技術的な課題を残っているように見えますが。格子構造の金型の比較的大きな表面積はまた、早期の凝固25-26に生じる、急激な冷却に寄与するように見えます。

3Dプリント格子犠牲ポリマーパターンによって作られた格子金型キャビティへの遠心鋳造 - 本研究では、格子金属の製造中湯回り不良を克服することができる代替間接AMを提案します。私たちは、デジタルを使います光処理（DLP）は、AlおよびCu合金の遠心鋳造に続いて格子構造犠牲パターンを構築するためのベースの3D印刷方法。本研究の目的は、複雑な形状と薄い壁厚を有する3次元格子金属の製造に関する詳細なプロトコルを提供することです。このプロセスの主な寄与は、格子金属を製造するための低コストで材料の選択範囲を拡張する機会を提供することです。

プロトコル

実験1.計画

  1. 図1に示すように、コンピュータ支援設計（CAD）ソフトウェアを使用して犠牲パターン（スプルーシステムとのオクテットトラス構造）を描き、STLファイル形式としてCADモデルを保存します。
    注：犠牲パターンは、最終的に鋳造するために溶融されるスプルーシステムとオクテットトラス構造の統合されたパターンです。犠牲パターンは、オクテットトラス構造とスプルーシステムの両方が含まれているため、それは正確にオクテットトラス自体を表すものではありません。犠牲パターンのSTLファイルが提供されます。金属「質量を計算するために使用されるCADソフトウェアによって提供される犠牲パターンの体積を記録します。
  2. パターンを印刷するための3Dプリンタに接続された3D印刷ソフトウェア上の犠牲パターンのCAD図面を開きます。
  3. 3Dプリンタは十分なUV硬化型/キャスタブルアクリルプラスチックとワックスからなる支持材料を持っていることを確認してくださいプリンタのカートリッジインチ

犠牲パターンの2製作

  1. オクテットトラス構造と3Dプリンタ（ - C図2A）を使用して、湯口システムからなる犠牲パターンを製造しています。
    注意：2.1.3でのプロセス - サポート資料を生成しない3Dプリンタが使用されている場合2.1.7は必要ありません。
    1. 犠牲パターン（ 図2A）を印刷するために3Dプリンタに犠牲パターンのSTLファイルを送信します。
    2. 2時間（ 図2B）のために- （70 C 60）支持体材料の溶融温度以上のオーブンで犠牲パターンの支持材を融解します。
      注：支持材料を除去するための温度が高すぎてはなりません。それ以外の場合は、犠牲パターンに損傷を与える可能性があります。犠牲パターンは、この研究では、約80℃に傷つく開始します。
      注：supporの溶融温度をTの材料は、異なる支持体材料を使用することができる3Dプリンタによって変化します。
    3. 2.5 Lにベビーオイルを上にして、デジタル超音波洗浄器に必要事項を記入し、掃除機に格納できる最大容量（ 図2C）。
      注：これは、ワックス状担体材料の残留物を溶解するベビーオイルを使用する3次元プリンタの供給業者によって推奨されました。
    4. デジタル超音波洗浄器に犠牲パターンを入れて、クリーナー（ 図2C）の電源をオンにしてください。犠牲パターンが完全に油に沈めていることを確認します。
    5. 40分（ 図2C）のために65℃の油に犠牲パターンを浸漬することによって、支持体材料の残留物を取り除きます。
    6. 支持材料が完全に削除されている場合は掃除機から犠牲パターンを取り出します。
    7. RT（〜20℃）（ 図2C）でファンを犠牲パターンの乾燥を持っています。
      注：これは、約2時間かかります犠牲パターンの表面にオイルが完全に乾燥するまで。表面が粘着性でない場合、完全に乾燥する犠牲パターンを考えてみましょう。

金型の3製作

  1. パターンアセンブリ
    1. 犠牲パターン（スプルーシステムとのオクテットトラス）にゴムパッキンを取り付け、6.35センチメートルの高さと6.35センチメートル（ 図2D）の直径を有する円筒形のフラスコの底の上に置きます。
      注：各金属を鋳造するための2つのフラスコを準備します。 AlとCuの合金。
    2. ダブルチェック犠牲パターンを有するゴムガスケットを完全にフラスコの底部に取り付けられています。
    3. その手順を、次のセクションで説明される投資粉末 - 水混合物は、フラスコから漏れないように、ダクトテープでフラスコを包みます。
  2. 投資金型の製造
    1. 投資粉末を準備します（たCaSO 4 、ρ= 1019キロ/ m 3）で87.16ミリリットルで89グラム、の。投資粉末を計量のスケールを使用してください。
      注：投資粉末の物性を表1に示します。
    2. ミキシングボウル（1 L）に投資粉末を注ぎます。
    3. ミキシングボウルに水（114ミリリットル）を注ぎます。水の量を測定するために、ビーカーを使用してください。
    4. 3分間ボウルに水と投資の粉を混ぜます。投資粉末 - 水混合物中の塊が存在しなくなるまでよく混ぜます。それ以外の場合は、投資型の貧弱な表面品質を引き起こし得ます。 図3に示すように、作業の流れに従ってください。
    5. 気泡が裸目（ 図3）との混合物に見られなくなるまで、混合物内の気泡を除去するために、90秒間真空チャンバ内にボウルを置きます。
    6. 犠牲パターンとゴムパッキン（ 図2E）を埋め込 ​​むフラスコに混合物を注ぎます。
    7. FLAを配置混合物（図3）の内部に気泡の残留物を除去するために90秒間再び真空チャンバー中のK。
    8. それはRT（ 図3）で硬化されるまで、フラスコ内の混合物を乾燥させます。
      注意：通常は、約10かかり - RTで硬化される混合物のための15分。
    9. 混合物を（ 図3）硬化された後、フラスコ内の混合物の底でフラスコとゴムパッキンを取り外します。この製品は、石膏型と呼ばれてもよいです。
  3. 燃え尽きる
    1. 2.1℃/分で150℃まで23から（ 図4）加熱の加熱を、以下のスケジュールを冷却しながら炉内でバーンアウト時間を設定します。 3.7℃/分で150〜370℃; 1.85℃/分で370〜480℃; 4.17℃/分で480〜730℃; 1時間730℃; -4.17℃/分で480℃に730を冷却します。
      注：バーンアウトvarに時間をフラスコの大きさに居住。本研究では、6時間にバーンアウト時間を設定します。
    2. 炉（ 図2F）に石膏型を置きます。
    3. 炉の電源をオンにし、石膏型の内側に犠牲パターンを除去するために、炉内の温度を上昇させます。 図4の温度条件に従ってください。
      注：UV硬化性/キャスタブルアクリルプラスチック、犠牲パターンの材料は、熱硬化性アクリルポリマープラスチックであるため、それは流れないが、炉内の気相に分離されます。
  4. 遠心鋳造 （ 図2G）
    1. 遠心鋳造機のアームが遠心鋳造機の電源投入後タコメーターを使用して、425回転の角速度で回転することを確認してください。
    2. 150グラム合金が溶融するために保持することができる2つのセラミックるつぼを準備します。電子で汚染されてからそれらを保つためにAlおよびCuの合金の別々のるつぼを使用他のACH。
    3. 遠心鋳造機の電源をオンにします。
    4. 長さが20ミリメートル - 金属カッターを使用して、10と片に合金を切ります。完全にそのボリューム犠牲パターンと同じにする必要があり、金型キャビティを満たすのに十分なそれらを準備します。
      注：金型キャビティの同じ体積を記入するために必要な金属の質量は、各金属のための様々な密度を考慮して変化します。
    5. 難燃性布や手袋、ゴーグルを着用してください。 RTでバケツの水（30 L）を準備します。
    6. 、3.3節で一時的に出て炉からの石膏型を取るフラスコクレードルにそれをインストールし、遠心鋳造機（ 図5）の腕のバランスをとります。
    7. キャスティングの前に戻って482℃まで炉予熱までの石膏型を置きます。
    8. るつぼホルダ（ 図5）に坩堝を置きます。
    9. るつぼに刻んだ合金を入れてください。
    10. 酸素のバルブを開き、タンクは、酸素アセチレントーチに接続し、96.5キロパスカル（​​14 PSI）のタンク内の圧力レベルを維持します。
    11. 軽量化と酸素 - アセチレントーチを点火し、ガスのミックスを調整することにより、炎の強さを制御します。
      注：酸素 - アセチレントーチを使用する場合は注意が必要です。トーチのその最高温度は約1200℃です。
    12. 合金が完全に液体になるまでるつぼ中にトーチでみじん切り合金（Al合金またはCu合金）を溶かします。
    13. みじん切り合金が完全に溶融されるまで、炭素棒でるつぼ内の合金をかき混ぜます。
    14. バック次の溶融合金（ 図5）を含むるつぼにフラスコクレードルに石膏型を置きます。
    15. 遠心鋳造機のカバーを閉じ、遠心アームを聞かせて回転させると、少なくとも3分間待ちます。
      注：遠心鋳造機とすぐ鋳造機のカバーが閉じているように動作を開始します。遠心アーム犠牲パターンのモールドキャビティに流入速度に対応する425回転の速度で回転し、入口速度は角度から巨視的粒子のダイナミクスを使用して計算され、図5でのV R = 8.03メートル/秒28,29遠心鋳造アーム28,29の速度。
    16. アームの3分の回転後の遠心鋳造機の電源をオフにします。
    17. 鋳造機のカバーを開けます。
    18. トングを用いてフラスコクレードルのうち、石膏型を取ります。
    19. 溶融合金の色は固相で元の1になるまで20分 - 15 RTで金型を保管してください。
    20. トングを使用して、約5分間RTでバケット（30 L）に入れ、水に石膏型を急冷。石膏型の温度は、焼入れ後のRTに近いことを確認してください。
    21. 金型内部の格子金属を得るためには、溶解水にカビ。石膏製の型は、水に溶けやすいです。

オクテットトラス金属の最終製品の4ポスト処理

  1. サンドブラスターの電源をオンにします。
  2. サンドブラスター内側プラットフォームにオクテットトラス金属を配置し、機械のドアを閉じます。
  3. 手袋を着用してくださいとサンドブラスターピストルをつかみます。
  4. 金属製品の湯口部分をつかみ、2時​​間サンドブラスターとの格子金属から残留石膏を吹き消します。
    注意：サンドブラスターの強度は、自動的に550キロパスカルで約固定されています。サンドブラスターを作動されると、その後、空気はピストルから自動的に出てきます。
  5. 肉眼で確認しながら、オクテットトラス、金属内部の投資石膏残留物が完全に除去されるまで、サンドブラスターを実行したまま。
    注：石膏残留物の除去に関する微視的な基準はありません。これは、本研究の範囲を超えています。 T彼石膏残留物の除去が容易に肉眼で判断されます。オクテットトラスは、オープンセル構造であるため、透けて見えると石膏残基が完全に除去されているかどうかどうかを確認することが可能です。
    注意：注意は、高圧（550キロパスカル）で薄い壁の厚さ（0.5ミリメートル）で、オクテットトラス金属を損傷しないようにサンドブラスターのために必要とされます。
  6. オクテットトラス、金属内部の投資石膏残留物が完全にサンドブラスターで除去されていない場合は、追加の後処理方法を使用し、 例えば 、超音波洗浄または一日のために水の中に製品を残します。
  7. 超音波洗浄器を用いた場合には、超音波洗浄器に0.7 Lの水を充填し、超音波洗浄器に石膏残基にオクテットトラス金属を配置します。
    1. 超音波洗浄機の電源をオンにします。
    2. 例えば、70℃で3時間、運転条件を設定します。
    3. 一回目の超音波洗浄機のうち、オクテットトラス金属を取りますE動作を終了します。
    4. 金属表面の水が完全に除去されるまでRTでオクテットトラス金属を乾燥させます。
  8. 代替後処理方法としては、水中でのオクテットトラス金属を残します。これは、石膏残留物を水に溶解させます。
    1. 水中での石膏残基とオクテットトラス金属を置き、投資石膏と金属表面との結合力が水に弱めるとなるように一日のためにそれを残します。
    2. 水のうち、オクテットトラス金属を取ります。
    3. 金属表面の水が完全に除去されるまでRTでオクテットトラス金属を乾燥させます。
  9. 鋸または他の適切なツールを用いて、金属製品のうち、湯口系部品の空洞を充填した金属を切断し、 図1（b）に示すように 25ミリメートル×25mm×25mmの寸法を有する最終的なオクテットトラス金属を得ます。

結果

プロトコルセクションで説明した間接的な添加剤の製造を使用して、Al及びCuの合金は、図1に示すように、製造オクテットトラス金属のために使用された全体の鋳造手順は図2に要約されている手順では、8つのセクションで構成されています。。（a）の犠牲支持材料の残留物のパターン印刷（b）は、支持材料の溶融アウト（c）の除去（D）パ?...

ディスカッション

従来の金属鋳造のためには、金型キャビティの「層流」でスムーズかつ合理化溶融金属の流れを維持し、むしろ一般的に乱流27で観察された不規則な攪拌流を回避することが重要です。したがって、適切に格子モールドキャビティ「層状」内部の溶融金属の流れを維持するために遠心アームの回転速度に関連した湯口システムの注入口を設計することが重要です。

開示事項

The authors have nothing to disclose.

謝辞

この研究は、ノーステキサス大学の研究と経済開発のための副社長の研究開始グラント（RIG）（UNT）から支援を受けました。著者らはまた、部分的に、この研究を支援するためのKCIS株式会社に感謝します。本書の成功にUNTでPACCAR技術研究所からのサポートが大幅に高く評価されています。

資料

NameCompanyCatalog NumberComments
Motorized centrifugal casting machineRey Motorized Centrifugal Casting Machine, Rey Industries Inc.Made in U.S.A. by Rey industries, Inc. Dallas, TX 75220
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Cartridge materials- support materialVijiJet S300, 3D SystemsThis is support material that is going to be removed before pattern assemble
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