Fremme additiv fremstilling ved at skære ned på støtten

3-D-print åbner op for designmuligheder, som ingeniører engang kun kunne drømme om.

Teknologien giver producenterne mulighed for at skabe dele med unikke og komplekse former - dele, som konventionelle fremstillingsmetoder såsom trykstøbning eller sprøjtestøbning ikke kan producere.

Med 3D-print, også kendt som additiv fremstilling, en maskine skaber en del ved at tilføje materiale i lag, bygge objektet fra bunden. Fordi hvert nyt lag skal understøttes af laget under det, der er en grænse for, hvor meget et lag i en kompleks del kan rage ud over den næste. Som resultat, fabrikanter har ofte brug for at bygge strukturer til at understøtte en del, mens den udskrives.

"Men efter at delen er færdig, at fjerne dette støttemateriale kan være dyrt, " siger Xiaoping Qian, en maskiningeniørprofessor ved University of Wisconsin-Madison. "Disse støttestrukturer omtales nogle gange som offerstrukturer, fordi de bliver kasseret til sidst, som spilder materiale og byggetid."

Desuden, det kan være svært at få adgang til og fjerne støttekonstruktionen uden at risikere at beskadige den færdige del.

For at løse disse problemer, Qian har udtænkt en metode, der væsentligt reducerer mængden af ​​støttemateriale, der er nødvendig for at bygge komponenter med 3-D-print – og, i nogle tilfælde, kan endda helt eliminere behovet for støttestrukturer.

"Traditionelt støttestrukturen skabes ved blot at overveje delens geometri, og derefter oprette de kolonner, der er nødvendige for support, " siger Qian. "Men dette er ikke optimeret."

Hans metode strømliner støttestrukturen ved hjælp af beregningsmodelleringsværktøjer. Ved at give producenterne mulighed for at bruge den minimale mængde støttemateriale, tilgangen giver hurtigere byggetider samt omkostningsbesparelser på materiale.

Qians teknikker er bredt anvendelige til en lang række additive fremstillingsteknologier. Indtil nu, han har demonstreret fordelene ved sin tilgang ved hjælp af smeltet aflejringsmodellering og 3-D-printede metaldele ved hjælp af en laserpulverlejefusionsproces. I et projekt, han brugte sine teknikker til at designe en del, der krævede 43 procent mindre støttemateriale, end det ville blive brugt i den traditionelle additive fremstillingsproces, der var afhængig af standard kommerciel designsoftware.

Denne nye tilgang voksede ud af Qians interesse i at udforske måder at forbedre den strukturelle ydeevne og funktionalitet af dele ved at udnytte den designfleksibilitet, additiv fremstilling tilbyder. For eksempel, han har designet dele med komponentformer og topologier, der er optimeret til at sprede varme. Sådanne dele ville være nyttige til mange applikationer, der kræver en køleplade, herunder inden for elektronik.

Det logiske næste skridt var at optimere delenes støttestruktur. "Overraskende nok, vi så ikke nogen, der forsøgte at bruge topologioptimering til at opnå dette, " siger Qian.

Han siger, at en 3-D-printet del generelt har brug for støtte, hvis der er områder, hvor dens overflade er skrånende og vender nedad.

Imidlertid, i topologioptimeringsprocessen, ingeniører stiller først krav til delen og overordnede designmål - og derefter udfører et computerprogram analyser og genererer ideelle komponenttopologier.

"Så udfordringen er, hvis du ikke kender delens geometri på forhånd, hvordan ville du så vide overfladens hældning, og om du har brug for støtte eller ej?" siger Qian.

Det er her, hans gennembrud kommer ind – på en måde, der er lidt ligesom at forudsige fremtiden.

Qian udviklede en metode til at beregne mængden af ​​overfladeareal på en komponent, der har brug for støtte - uden at kende delens endelige geometri på forhånd. Han siger, at nøglen definerede en ny måling kaldet den projicerede underskårne omkreds. "Når du beregner denne nye måling, det svarer i det væsentlige til det område, der har brug for støtte, " han siger.

Ved at inkorporere det nye mål i sine computermodeller, Qian er i stand til at kontrollere mængden og vinklen af ​​udhæng – og dermed minimere eller endda eliminere støttestrukturen – når man designer en del.

Som resultat, for eksempel, han kan designe en komponent, der er optimeret til at sprede så meget varme som muligt uden at skulle bruge nogen støttestruktur til at fremstille.

At designe sådanne helt selvbærende dele er et aktivt forskningsområde for Qian, og hans arbejde er klar til at gavne producenter, der ikke kun ønsker at spare penge på materialer og fremstille dele på kortere tid, men også skabe nye typer dele med øget funktionalitet.