Что такое сестра в 3D -печати?

Селективное ингибирование спекания (SIS) -это процесс аддитивного производства ( 3D-печать ), который предлагает альтернативу более обычным методам металлов или полимеров, таких как селективное лазерное спекание (SLS). Разработанный исследователями (особенно в Университете Южной Калифорнии), SIS стремится производить части, подавляя спекание (или таяние) в определенных регионах, а не непосредственно спекание или таяние всех регионов с помощью источников высокой энергии (лазеры, электронные лучи и т. Д.).

В более простых терминах, в сфере вы откладываете базовый порошок (металл или полимер), а затем выборочно наносите ингибитор на областях, которые вы не хотите, чтобы спекать. Впоследствии вы подвергаете все это в спекающую печь (тепло), которая объединяет неингибированные области, чтобы сформировать конечный твердый объект, в то время как ингибированные области остаются свободными или не сестрированными, действуя как жертвенный или 'поддержка ' материал. После спекания свободный материал может быть удален, оставляя желаемую геометрию.

Как работает SIS - шаги процесса

Вот разрушение шагов, связанных с SIS:

1. Приготовление порошкового слоя.
Слор базового порошка распространяется на кровать для сборки. Порошок может быть металлом, полимером или керамикой. Свойства порошка - размер частиц, температура спекания, потоковимость - имеют решающее значение.

2. Селективное осаждение ингибитора
по этому слою порошка, нанесен ингибирующий агент (иногда доставляемый через чернильную печатную головку). Ингибитор применяется только к регионам, где вы не хотите, чтобы порошок спекал во время этапа спекания. Геометрия паттерна ингибитора соответствует 'наружным ' или нежелательным порошковым областям.

l Этот ингибитор может быть жидким раствором (например, сахароза + поверхностно -активное вещество или другие химические) в ранних версиях полимера/металлов.

L Для керамики также используются ингибиторы сухого порошка (потому что высокие температуры спекания могут сделать ингибиторы жидкости непрактичными).

3. Слои / повторение
Добавляются дополнительные слои базового порошка, а ингибитор при необходимости применяется в каждом слое, создавая трехмерную часть. Форма области ингибитора между областью, которая должна быть спекаю, и окружающий порошок образует по сути временную плесень или оболочку/ров.

4. Спекающий
весь сборка, включая как ингибированные, так и не ингибируемые области, помещается в печь и нагревается до температуры спекания базового порошка. Поскольку ингибированные области были обработаны (или покрыты) для предотвращения или замедления спекания (или требуют более высокой температуры, чем предусмотрено), только не ингибируемые порошковые предохранители в твердый компонент.

5. Постобработка / удаление свободного порошка
после спекания ингибированный (не срезанный) порошок, который не слился, остается свободным или только слабосвязанным. Этот порошок удаляется (например, путем чистки, песчаной обработки или простого механического удаления), оставляя конечный объект.

6. Заканчивая
, как и с другими металлическими/керамическими спеченными частями, в зависимости от необходимых допусков и поверхностной отделки, могут потребоваться дополнительные этапы отделки (обработка, полировка, возможно, вторичное спекание или отжиг). Выход SIS зависит от верности отложения ингибитора, характеристик порошка и спекания.

Почему 'Ингибирование ' вместо прямого слияния?

SIS инвертирует некоторые типичные подходы в процессах порошкового спекания / слияния. Большинство традиционных слияний порошкового слоя (PBF) или методов AM на основе спекания используют тепло (лазер, электронный луч или другой) для избирательного сбора или расплавления порошка в целевых областях (например, SLS для полимеров, прямое металлическое лазерное спекание (DMLS) для металлов и т. Д.).

Вместо этого SIS выбирает, где не слиться, применяя ингибитор, что означает, что:

• Только пространство «Отрицательное » (область за пределами желаемой части) должно быть четко определено через осаждение ингибитора, а не натолбное »весь порошок с энергией, за исключением нежелательных зон.

• Источник энергии (спекающая печь) может быть относительно простым по сравнению с точными лазерами или балками.

• Потенциально более низкая стоимость, более простое оборудование и, возможно, лучшая масштабируемость для более крупных частей, потому что задача фокусировки и сканирования луча заменяется механизмом ингибирования + спекания печи.

Преимущества сестры по сравнению с традиционными методами

Селективное ингибирование спекания предлагает ряд потенциальных преимуществ, особенно для определенных приложений или использования. Некоторые из ключевых преимуществ:

1. Более низкая стоимость оборудования.
   Поскольку процесс не требует мощных лазеров, сканирования оптики или электронных балок для селективного плавления, стоимость оборудования может быть значительно снижена. Проявляющая печь, контроллер, распределитель порошка и механизм осаждения ингибиторов во многих отношениях проще.

2. Потенциальные усиления скорости для определенных геометрий,
   поскольку только граница детали (IE ингибиторов) требует точного паттерна, а внутренняя часть детали - это просто базовый порошок, может быть меньше работы на слой, что потенциально ускоряет осаждение для больших твердых объемов.

3. Эффективность материала / обработка отходов
   Использование свободного порошка в не ингибируемых областях означает, что один и тот же базовый порошок используется как для части, так и для окружающего материала; Только ингибированный порошок (или ингибитор) жертвенен. При правильном управлении это может уменьшить некоторую сложность удаления опорных структур или беспокоиться о эффектах ширины или ширины луча.

4. Масштабируемость для более крупных деталей
   по мере увеличения размера части, лазерных или лучевых систем часто нуждается в большей энергии, проблемы с фокусом, диффузией тепла, пути сканирования и т. Д. SIS избегает некоторых из этих недостатков, потому что спекание происходит более равномерно в печи, чем при сканировании.

5. Гибкость материалов
   была исследована не только для металлов и полимеров, но и керамики. Для керамики применение ингибитора помогает в создании жизнеспособных зеленых частей, а затем в спекании. Это может избежать некоторой сложности керамической керамической или лазерной керамики керамической или лазерной спекания, которая может страдать от высокой энергии, боевого веща и других дефектов.

6. Упрощенные границы поддержки / формы,
   поскольку ингибитор эффективно определяет 'внешние ', структуры поддержки или переизбытки могут быть обработаны новыми способами, возможно, уменьшая необходимость добавления физических опоров в некоторых случаях. Свободный порошок снаружи ингибированных областей действует в некоторой степени как поддержка до удаления.

Проблемы, ограничения и технические препятствия

Как и любая новая технология, SIS также сталкивается с материалами, обработкой и проектированием, которые необходимо решить, прежде чем она может быть широко принята. Некоторые из них:

1. Материал и эффективность ингибитора

l Ингибитор должен достаточно предотвратить спекание или плавление в обработанных районах, не мешая желаемым областям.

L это должна иметь стабильность при температурах спекания (то есть либо более высокая температура спекания/плавления, либо иным образом не разлагается).

L Для ингибиторов жидкости, такие проблемы, как переоборудование (ингибитор, просачиваясь за пределами предполагаемой границы), диффузия и остаток, необходимо лежать.

l Для керамики или более высокой температуры ингибиторы жидкости часто становятся неэффективными или проблематичными; Ингибиторы сухого порошка являются одним из возможных решений, но приносят свои проблемы с обработкой.

2. разрешение и точность

l Второй верности окончательной части в значительной степени зависит от того, насколько точно ингибитор может быть осажден. Любое смещение, переварок или размытие разлагают границу между спеченной частью и не засеянным порошком.

l Размер частиц порошка также имеет значение: большие частицы уменьшают разрешение; Очень мелкие частицы дороже, более сложны, более склонны к вопросам агломерации или потока.

3. Усадка и искажение

L Процессы спекания обычно вызывают усадку; Части могут деформироваться. Наличие не связанных конвертов или границ, определяемых ингибиторами, вводит дополнительную сложность в прогнозировании того, как приведет конечная геометрия.

L Единое нагревание в печи против локализованного спекания все еще может вызывать градиенты температуры, варпад или дефекты, если не хорошо контролируется.

4. После обработки свободного порошка / очистки

L Удаление ингибиторов и не сестринского порошка, возможно, может быть затруднено, особенно в тонких характеристиках или внутренних полостях.

l Остаток порошка может быть загрязнен ингибитором, который может усложнить повторное использование порошка или утилизацию.

5. Затраты на материал и обработка порошка

L Некоторые порошки (особенно металлические или керамические порошки) являются дорогими, чувствительными (окисление, влажность) и создают проблемы со здоровьем/безопасностью. Обработка больших количеств безопасно или повторно используя порошок, нетривиальна.

l Сам ингибитор должен управляться, храниться и утилизировать надлежащим образом.

6. Тепловое управление

L спекания температуры для металлов/керамики высоки; Тепловые градиенты, однородность печи и контроль скорости нагрева имеют решающее значение.

l Тепловой профиль ингибитора должен быть хорошо известен, чтобы обеспечить его вести себя так же, как и ожидалось (т.е. остается не сестрированным или, по крайней мере, не слитым) во время нагрева.

7. Время пропускной способности / цикла

L Хотя SIS обещает некоторое увеличение скорости, общий процесс (распределение порошка, осаждение ингибиторов, спекание печи, удаление после) может быть относительно медленным для определенных применений по сравнению с быстрыми системами PBF (для тонких/слоистых деталей).

Время охлаждения, время протяженности протяженности и постобработка дополняют общее время производства.

8. Управление программным обеспечением и процессами

L Вам нужно хорошее программное обеспечение для преобразования САПР в слои инструкции как для порошка, так и для отложения ингибитора.

L Правильный контроль от осаждения, условий окружающей среды (например, температура, влажность) и мониторинг необходим.

Приложения и варианты использования

Несмотря на то, что во многих отношениях все еще в значительной степени исследовательская стадия, SIS имеет потенциальные (или продемонстрированные) приложения в нескольких областях:

• Металлическая 3D-печать для чувствительного к затрат
  SIS может позволить производство металлических деталей с помощью машин с более низкими капиталами, что позволяет небольшим фирмам или лабораториям делать металлические AM с менее дорогим оборудованием.

• Керамические детали изготовления
  керамики трудно печатать с помощью традиционных методов без обширной постобработки. SIS предлагает способы изготовления сложных керамических деталей с меньшей потребностью в связующих или чрезвычайно высокоэнергетических лазерных спеканиях.

• Крупные структурные компоненты
  для больших деталей, где у лазеры/EB есть проблемы (мощность, точность фокуса, скорость сканирования), SIS может предложить маршрут для масштабируемого производства.

• Прототипирование / Исследование
  Раннее прототипирование металлических / керамических форм, где стоимость или доступность оборудования ограничены.

• Производство пространства / на месте.
  Некоторые работы упоминают, что SIS особенно интересна для производства в пространстве или вне земли (лунный реголит и т. Д.), Поскольку можно использовать доступное сырье, и более простое оборудование может быть более целесообразным.

Сравнение: SIS против других методов порошка AM

Вот некоторые сравнения с более устоявшимися 3D -печатными / порошковыми процессами / слиянием:

Особенность	Сестренка	Селективное лазерное спекание / прямое металлическое лазерное спекание (SLS / DMLS) / слияние порошкового слоя
Механизм нагрева	Объемная спекающая печь; ингибитор определяет, где происходит спекание	Локализованные источники энергии (лазеры, электронные балки) селективно предохраните/расплавленный порошок
Стоимость оборудования	Потенциально ниже (нет необходимости в сканирующей лазерной, сложной оптике)	Выше (контроль лазера/луча, сканирующие зеркала и т. Д.)
Сложность источника энергии	Проще; Более равномерное отопление	Более сложный; точная оптика, доставка энергии, контроль сканирования
Скорость для больших твердых деталей	Возможно, только более быстрые границы, так как интерьер - базовый порошок	Потенциально медленнее, потому что каждый желаемый объем должен быть объединен или построен
Материальные ограничения	Нуждается материал ингибитора, тщательное сопоставление; Проблемы с жидкостями на высоком T и т. Д.	Широкий выбор металлов / полимеров / керамики, хотя расходы и обработка различаются
Разрешение и точность	Ограничено точностью осаждения ингибитора, размером порошка, управлением печью	Возможно высокое разрешение, особенно с тонким порошком и точным управлением лучом
Отходы / опоры	Свободный порошок поддерживает естественным образом; Возможно, меньше накладных расходов поддерживает; Необходимо удаление ингибитора	Поддержки часто необходимы для свесов; лазерные порошки с отходами; Поддерживает удаление необходимо

Основные исследования и тематические исследования исследований

Некоторые интересные исследования и результаты включают:

• Первоначальное развитие SIS для полимеров и металлов Hoshnevis et al., Что продемонстрировало, что SIS может производить высококачественные детали и обещанный разрушительный потенциал для металлического AM.

• SIS, применяемая к керамике: в 'Селективное ингибирование спекания для керамики ' Исследование показывает с использованием ингибиторов сухого порошка (EG оксид магния, оксид алюминия) для разграничения границ спекания. Предварительные эксперименты показали возможное отделение деталей от избыточного порошка и полезных механических свойств.

• Тесты с использованием симулятора лунного реголита: исследования изучали SIS как способ изготовления плиток строительства/приземления в космических средах с использованием ресурсов in-situ. Идея заключается в том, что базовый порошок является чем -то вроде лунного реголита, и использование ингибитора (более высокой точки спекания) в качестве границы. После спекания детали отделяются от неингибированного (не засеянного) порошка.

Практические соображения при использовании SIS

Для тех, кто думает об использовании или разработке процесса SIS, здесь есть практические моменты, на которые обратите внимание:

1. Выбор порошка и подготовка

L Переполнения частиц: тонкие, равномерные порошки помогают с разрешением и равномерным спеканием.

L Чистота: нет влаги, загрязняющие вещества.

2. Ингибитор дизайн

L Химия: эффективное ингибирование без вмешательства в базовый порошок.

L Механизм доставки: струйные головки, спрей или сопла для сухого порошка.

L Толщина и верность: минимальное переоборудование; резкие границы.

3. Проектирование спекающей печи / термического управления

L равномерное распределение температуры.

L Надлежащий нагрев и скорость охлаждения для уменьшения тепловых напряжений.

4. Программное обеспечение CAD / Slyering / Slacing

L должен поддерживать отложение с двойным материалом/слоем: базовый порошок + ингибиторные паттерны.

L должен быть в состоянии точно генерировать ингибитор 'Shells ' или граничные пути точно.

5. Пост-обработка и чистота

L Удаление не сгруппированного порошка и ингибитора.

L Поверхностная отделка и любая требуемая уплотнение.

6. Контроль и тестирование качества

L тесты на плотность, механические свойства (прочность, прочность).

L Определенная точность против модели CAD.

L Материал состав (чтобы не обеспечить нежелательного загрязнения остаточного ингибитора).

7. Безопасность и обработка

L Породоводородные безопасность (особенно металлы, керамика).

L Материалы ингибитора: химическая безопасность, утилизация.

L Тепловое оборудование Безопасность.

Ограничения и открытые вопросы исследования

Несмотря на многообещающую, SIS еще не стала широко распространенным промышленным стандартом. Ключевые открытые вопросы включают:

• Каковы долгосрочные механические характеристики (усталость, выносливость) частей SIS по сравнению с полностью лазерными сплавленными?

• Насколько хорошо можно подтолкнуть разрешение (как по граничной резкости, так и в деталях внутренней функции)?

• Можно ли стандартизировать, экономически эффективные материалы для ингибиторов и легко применяться в масштабе без ущерба для производительности?

• Насколько эффективно можно переработать или использовать повторный размер порошка / свободного порошка?

• Каковы ограничения с точки зрения размера части, сложности, свес, внутренних каналов и т. Д.?

• Какова экономика при рассмотрении полной стоимости процесса (ингибитор порошка + печь + после обработки) по сравнению с обычными PBF или другими методами AM?

Будущие перспективы

Учитывая его преимущества и проблемы, вот некоторые вероятные области для будущего развития SIS:

• Усовершенствованные материалы для ингибиторов и системы осаждения
  лучшие ингибиторы, которые являются надежными, менее дорогостоящими, простыми в том, что вносите точные, возможно, самоограничивающиеся, возможно, даже умные ингибиторы, реагирующие на температуру. Более точное оборудование осаждения (улучшенные системы струйной, спрей или порошковой форсунки).

• Гибридные процессы
  , объединяющие SIS с другими методами AM; Например, использование SIS для объема или структуры, затем использование лазерного спекания или других методов для более мелких деталей или отделки.

• Применение применения в примерах использования
  отрасли, где снижение затрат на металл/керамика AM очень желательно: аэрокосмическая, исследование космоса, архитектурная керамика, крупное производство, возможно, строительство.

• Экосистемы цепочки поставок и материалы
  лучшие порошки, лучшие поставки ингибиторов, лучшая утилизация порошков, стандартизация материалов процесса для снижения затрат и изменчивости.

• Автоматизация и цифровое управление
  Улучшение мониторинга процессов, управление температурой в замкнутой контуре, осаждение ингибиторов, атмосфера печи и т. Д. Для обеспечения согласованных деталей.

• Регулирующие и сертификацию
  для критических частей (медицинская, аэрокосмическая), детали SIS должны будут доказать свою надежность, структурную целостность и воспроизводимость.

Заключение

Селективное ингибирование спекания (SIS) является интригующей и потенциально разрушительной технологией в аддитивном производственном ландшафте. Он предлагает другой путь для производства металла, полимера и керамических деталей, инвертируя типичный подход 'Селективного слияния ' и вместо этого используя селективное ингибирование , чтобы определить, где не должно происходить спекание . Это может снизить сложность оборудования, потенциально снизить затраты и обеспечить преимущества масштабируемости, особенно для более крупных деталей или тех, которые сделаны из керамики.

Тем не менее, SIS все еще является развивающейся технологией. Его успех в промышленном принятии будет зависеть от решения проблем, связанных с разрешением, материалами ингибитора, тепловым управлением, повторным использованием порошка и общей экономике процессов. Но учитывая исследование до настоящего времени, SIS является сильным кандидатом на будущее, особенно в секторах, где традиционная металлическая/керамическая 3D -печать является дорогостоящей или нецелесообразной.