ساخت و مشخصه‌یابی ساختار‌های مشبک فلزی به روش تولید افزودنی غیر‌مستقیم

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد / دانشکده مهندسی مکانیک و مواد، دانشگاه تحصیلات تکمیلی صنعتی و فناوری پیشرفته

2 عضو هیات علمی / دانشکده مهندسی مکانیک و مواد، دانشگاه تحصیلات تکمیلی صنعتی و فناوری پیشرفته

چکیده

علی‌رغم خواص منحصر به فرد‌ مواد سلولی، وجود حفره‌ها‌ی نامنظم، کنترل خواص ا‌ین مواد را دشوار و کاربرد آن‌ها را محدود ساخته‌است. هرچند که  استفاده از مواد مشبک، ا‌ین محدود‌یت را برطرف ساخته، ولی به دلیل هندسه پیچیده، تولید نمونه‌های فلزی از ا‌ین مواد با روش‌ها‌ی سنتی امکان‌پذ‌یر نبوده و استفاده از روش‌ها‌ی تولید افزودنی مستقیم نیز بسیار هز‌ینه‌بر است. در این پژوهش به منظور تولید و مشخصه‌یابی ساختارها‌ی مشبک فلز‌ی ارزان از فرآ‌یند تولید افزودنی غیر‌مستقیم، متشکل از دو روش تولید افزودنی رسوب مذاب و ر‌یخته‌گر‌ی ثقلی، استفاده شده و تاثیر پارامترها‌ی مختلف بر کیفیت نمونه نهایی، از طریق آزمایشات تجربی و شبیه‌سازی عددی، بررسی می‌گردد. نتایج حاصل از شبیه‌سازی مبین آن است که با کاهش زمان بارریزی و افزایش دمای مذاب، دمای قالب، ارتفاع سیستم راهگاه و قطر پیوند‌ها، درصد پر شدن قالب افزایش می‌‌یابد. در نمونه‌های ساخته شده، با کاهش قطر پیوند اختلاف بین قطر در الگوهای فداشونده و قطر طراحی، به خصوص برای پیوندهای افقی، به شدت افزایش می‌یابد. در خصوص نمونه‌های فلزی، اختلاف قطر پیوند با قطر طراحی بیشتر ناشی از فرآیند تولید افزودنی بکار رفته بوده و خطای ایجاد شده بواسطه فرآیند ریخته‌گری تنها 2/2 درصد می‌باشد. همچنین با استفاده از این فرآیند تولید ساختار‌های مشبک فلزی با قطر کمتر از 3 میلی‌متر ممکن نیست. تصاویر میکروسکوپی تهیه شده حاکی از آنست که عیوب ایجاد شده در نمونه‌ها عمدتا از نوع عیب نیامد بوده که برای ساختارهای BCC و BCCZ در صفحه فوقانی و برای ساختار SC در پیوندهای افقی اتفاق می‌افتد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Fabrication and characterization of metallic cellular lattice structures using indirect additive manufacturing

نویسندگان [English]

  • Ahmad Reza Keshavarz Robehagani 1
  • Mohammad Reza Karamooz Ravari 2
  • Reza Dehghani 2
1 Graduated Student, Faculty of Mechanical Engineering, Graduate University of Advanced Technology
2 Assistant Professor, Faculty of Mechanical Engineering, Graduate University of Advanced Technology
چکیده [English]

Despite of outstanding properties of cellular materials, their properties cannot be well controlled, and their applications are limited due to irregular pores. Although the use of cellular lattice structures repels this difficulty, complex geometry of these materials makes it impossible to produce metallic ones using conventional manufacturing methods. In addition, additively manufactured metallic samples are expensive. In this study, in order to fabricate and characterize inexpensive metallic cellular lattices, an indirect additive manufacturing process, including fused deposition modeling and gravity casting, is utilized and the effects of different parameters on the quality of the final part are assessed through experimental and numerical methods. Simulations’ results show that decreasing the melt load time, and increasing molten Al temperature, mold temperature, mesh height, and struts’ diameter increase the mold filling percentage. For the fabricated samples, the difference between the struts’ diameter of the sacrificial patterns and designed ones increases by decreasing the struts’ diameter, especially for horizontal struts. For metallic samples, the struts’ diameter’s difference is mainly related to the sacrificial patterns so that the error arisen from casting process is just about 2.2 percent. Also, using the utilized method, cellular lattices with struts’ diameter smaller than 3 mm cannot be fabricated. Microscopic images demonstrate that the samples’ defects are mainly of misrun type which are located on the top plate of BCC and BCCZ samples and on the horizontal struts of SC ones.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Indirect Additive Manufacturing
  • Fused Deposition Modeling
  • Gravity Casting
  • Procast Software
  • Cellular Lattice Structures
[1] J. Banhart, Manufacturing routes for metallic foams. The Journal of The Minerals, Metals & Materials Society, 2000. 52(12): pp. 22-27.
[2] J. Banhart and Weaire D., On the road again: metal foams find favor. Physics Today, 2002. 55(7): pp. 37-42.
[3] L. J. Gibson and Ashby M. F., Cellular solids: structure and properties. 1999: Cambridge university press.
[4] N. A. Meisel, Williams C. B., and Druschitz A. Lightweight metal cellular structures via indirect 3D printing and casting. in Proceedings of the international solid freeform fabrication symposium. 2012.
[5] M. F. Ashby, Evans T., Fleck N. A., Hutchinson J., Wadley H., and Gibson L., Metal foams: a design guide. 2000: Elsevier.
[6] M. Cholewa, Szuter T., Wróbel T., and Kondracki M., The skeleton castings as a new type of cast lattice structures. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, 2012. 54(2): pp. 250-259.
[7] N. Jin, Wang F., Wang Y., Zhang B., Cheng H., and Zhang H., Failure and energy absorption characteristics of four lattice structures under dynamic loading. Materials & Design, 2019. 169: pp. 107655.
[8] I. Gibson, Rosen D. W., and Stucker B., Additive manufacturing technologies. Vol. 17. 2014: Springer.
[9] J. Mun, Ju J., and Thurman J. Indirect additive manufacturing of a cubic lattice structure with a copper alloy. in Proceedings of the 25th Annual International Solid Freeform Fabrication Symposium, SFFS2014-55, Austin, TX. 2014.
[10] J. Mun, Yun B.-G., Ju J., and Chang B.-M., Indirect additive manufacturing based casting of a periodic 3D cellular metal–flow simulation of molten aluminum alloy. Journal of Manufacturing Processes, 2015. 17: pp. 28-40.
[11] T. A. Le Néel, Mognol P., and Hascoët J.-Y., A review on additive manufacturing of sand molds by binder jetting and selective laser sintering. Rapid Prototyping Journal, 2018. 24(8): pp. 1325-1336.
[12] S. R. Sama, Wang J., and Manogharan G., Non-conventional mold design for metal casting using 3D sand-printing. Journal of Manufacturing Processes, 2018. 34: pp. 765-775.
[13] J. Montero, Vitale P., Weber S., Bleckmann M., and Paetzold K., Indirect Additive Manufacturing of resin components using polyvinyl alcohol sacrificial moulds. Procedia CIRP, 2020. 91: pp. 388-395.
[14] K. Naplocha, Dmitruk A., Mayer P., and Kaczmar J., Design of Honeycomb Structures Produced by Investment Casting. Archives of Foundry Engineering, 2019.
[15] H. Wang, Fu Y., Su M., and Hao H., A novel method of indirect rapid prototyping to fabricate the ordered porous aluminum with controllable dimension variation and their properties. Journal of Materials Processing Technology, 2019. 266: pp. 373-380.
[16] H. Wang, Fu Y., Su M., and Hao H., Effect of structure design on compressive properties and energy absorption behavior of ordered porous aluminum prepared by rapid casting. Materials & Design, 2019. 167: pp. 107631.
[17] M. Brandt, Laser Additive Manufacturing: Materials, Design, Technologies, and Applications. 2016: Elsevier Science.
[18] S. W. Killi, Additive Manufacturing: Design, Methods, and Processes. 2017: CRC Press.
[19] L. Moraru, The heat transfer coefficient during the solidification of aluminum. Czechoslovak Journal of Physics, 2002. 52(3): pp. 387-393.
[20] L. Li, Li D., Gao J., Zhang Y., and Kang Y. Influence of Mold Temperature on Microstructure and Shrinkage Porosity of the A357 Alloys in Gravity Die Casting. 2018. Singapore: Springer Singapore.
[21] C. Extrand, Drainage of liquid from a small circular hole in a vertical wall. Journal of Adhesion Science and Technology, 2018. 32(10): pp. 1142-1149.