Projeto otimizado e fatores-chave de desempenho de um sistema de filtragem de circulação de gás em uma impressora 3D de metal

Apr 16, 2023

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 14267 (2022) Cite este artigo

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2 Altmétrica

Detalhes das métricas

Para melhorar ainda mais a qualidade das peças em impressoras 3D de metal, é necessário otimizar a estrutura e estudar o desempenho de seus sistemas de filtragem de circulação de gás. Primeiro, usamos o método de modelagem paramétrica para completar a modelagem da cavidade formada. Em seguida, otimizamos o projeto da estrutura de entrada de ar da cavidade formada usando o método de simulação de fluxo de molde e, finalmente, avaliamos os resultados do projeto otimizado por meio de experimentos de montagem e medições dos componentes das peças moldadas. A combinação de modelagem paramétrica e métodos de simulação de fluxo de molde produziu uma alta eficiência de modelagem e teve um bom efeito no projeto otimizado dos sistemas de filtragem de circulação de gás. Após a otimização do projeto, as intensidades de turbulência e as áreas de distribuição das cavidades formadas foram reduzidas. Durante a impressão 3D da placa guia curva, o plano do suporte da placa guia foi inclinado 55° em relação ao plano de referência da usinagem, o que melhorou a qualidade da forma. A placa guia curva impressa em 3D correspondia perfeitamente à extremidade de entrada do duto de ar da impressora, e a placa guia superior foi fixada em uma posição adequada usando parafusos. O teor de nióbio das peças formadas pela placa guia no Projeto 2 foi baixo, o que estabelece uma base para a impressão 3D de peças metálicas de alto desempenho.

A tecnologia de Manufatura Aditiva (AM) pode ser usada para fatiar modelos tridimensionais (3D) usando software especializado para obter dados de seção1. Os dados podem então ser importados para equipamentos de formação rápida, permitindo a fabricação de peças por meio de métodos de acumulação de material camada por camada2. A tecnologia AM pode ser usada para fabricar peças em qualquer formato, incluindo peças unitárias, pequenos lotes e estruturas complexas e compactas3. A fusão a laser seletiva (SLM) é um tipo de tecnologia AM baseada na fusão a laser de pó metálico4,5.

Quando a tecnologia SLM é usada para formar peças, a interação entre o laser e o pó geralmente leva a dois problemas6: ① A varredura seletiva do pó de metal pelo laser causa a pulverização do pó. As partículas formadas por pulverização catódica flutuam e se difundem no silo de modelagem e depois se espalham pelo silo de formação para poluir o pó, resultando em defeitos de inclusão de escória nas peças formadas posteriormente; ② Quando o laser age sobre o pó metálico, o pó forma "smog sólido" nos processos de combustão, sublimação, evaporação e condensação. O "smog sólido" adere ao vidro protetor do scanner galvo, o que faz com que o laser gere uma grande atenuação de energia ao passar pelo vidro protetor. Assim, as peças metálicas formadas não conseguem absorver energia suficiente, resultando em defeitos e danos causados ​​pelo laser. Além disso, o "smog sólido" causa contaminação por pó e resulta em defeitos nas peças conformadas. Portanto, em equipamentos de moldagem SLM, geralmente é necessário configurar um sistema de filtragem de circulação de gás para circular e filtrar o gás na cuba de modelagem.

Os sistemas de filtragem de circulação de gás no equipamento de moldagem SLM utilizam bombas de circulação externas para conectar as entradas internas e os tubos de exaustão. Depois que o gás na caixa de moldagem é extraído do tubo de exaustão pela bomba de circulação, o gás entra primeiro no dispositivo de filtragem de poeira e, em seguida, flui de volta para a caixa de moldagem ao longo do tubo de admissão, resultando na circulação de gás na moldagem cilindro7. A primeira função importante do sistema de filtragem de circulação de gás é manter o ambiente livre de oxigênio necessário no processo de moldagem. Outra função importante é remover "derivativos". Um grande número de materiais em pó de mícron está envolvido no processo de moldagem e choques de energia ocorrem durante a fusão por varredura a laser. As partículas pulverizadas estão espalhadas pela cabine. Além disso, algumas impurezas no pó produzem "fumaça sólida" durante a fusão. A "fumaça sólida" é composta por condensados ​​floculentos formados pelo resfriamento instantâneo do vapor metálico eletrolítico de uma poça metálica fundida em ebulição, e possuem diâmetro médio de 1 µm. Para evitar que os condensados ​​flutuantes contaminem o ambiente da cabine e, especialmente, entrem no escopo do caminho da luz do laser e afetem a incidência do laser, a placa guia é geralmente colocada na saída do tubo de entrada para evitar "fumaça sólida" e respingos de partículas que poluem o pó e o vidro protetor do scanner galvo. Existe um coletor de poeira (ranhura guia) na entrada do tubo de escape para coletar a "fumaça sólida" e as partículas de pó na cavidade de moldagem. Em seguida, a bomba de circulação absorve a "fumaça sólida" coletada e as partículas de pó no núcleo do filtro para filtragem. Depois que o projeto da ranhura guia foi otimizado, o desempenho da placa guia na saída do tubo de entrada tornou-se o fator chave que afeta o desempenho do sistema de filtragem de circulação de gás no equipamento de moldagem SLM.