Was ist SIS im 3D -Druck?

Selektives Inhibitionssintering (SIS) ist ein additiver Herstellungsprozess ( 3D-Druck ), das eine Alternative zu herkömmlicheren Metall- oder Polymer-Sintertechniken auf Pulverbasis wie selektivem Lasersintern (SLS) bietet. SIS entwickelt von Forschern (insbesondere an der University of Southern California) und versucht, Teile zu produzieren, indem er in bestimmten Regionen das Sintern (oder Schmelzen) hemmt , anstatt alle Regionen direkt über hochenergetische Quellen (Laser, Elektronenstrahlen usw.) zu singen oder zu schmelzen.

In einfacherer Hinsicht legen Sie in SIS ein Basispulver (Metall oder Polymer) ab und wenden Sie dann selektiv einen Inhibitor auf die Bereiche, die Sie nicht singen möchten. Anschließend unterwerfen Sie das Ganze einem Sinterofen (Hitze), der die nicht inhibierten Regionen zu dem endgültigen festen Objekt verschmilzt, während die gehemmten Regionen locker oder nicht gesenkt bleiben und als Opfer oder 'Stützmaterial wirken. Nach dem Sintern kann das loses Material entfernt werden, wobei die gewünschte Geometrie zurückbleibt.

Wie SIS funktioniert - die Prozessschritte

Hier ist eine Aufschlüsselung der in SIS beteiligten Schritte:

1. Pulverbettvorbereitung
Eine Schicht Basispulver wird auf ein Baubett verteilt. Das Pulver kann Metall, Polymer oder Keramik sein. Die Eigenschaften des Pulvers - Spartikelgröße, Sintertemperatur, Fließfähigkeit - sind kritisch.

2. Selektive Inhibitorablagerung
über diese Pulverschicht, ein Hemmmittel (manchmal über einen Tintenjet-Druckkopf geliefert) wird abgelagert. Der Inhibitor wird nur auf Regionen angewendet, in denen Sie das Pulver während des Sinterschritts Die Geometrie des Inhibitor -Musters entspricht den 'außerhalb ' oder unerwünschten Pulverregionen. nicht singen wollen.

l Dieser Inhibitor kann in frühen Polymer-/Metallversionen eine flüssige Lösung (z. B. Saccharose + Tensid oder andere Chemikalie) sein.

L Für Keramik werden auch trockene Pulverinhibitoren verwendet (weil hohe Sintertemperaturen flüssige Inhibitoren unpraktisch machen können).

3.. Schichten / Wiederholung
zusätzliche Schichten von Basispulver werden zugegeben, und der Inhibitor wird nach Bedarf in jeder Schicht aufgebracht, wodurch der 3D -Teil aufgebaut wird. Die Form des Inhibitorbereichs zwischen der Region, die gesintert wird und das umgebende Pulver im Wesentlichen eine temporäre Form oder Schale/Wassergraben bildet.

4. Das Sintern
des gesamten Builds-einschließlich inhibierten und nicht inhibierten Regionen-wird in einen Ofen gelegt und auf die Sintertemperatur des Basispulvers erhitzt. Da inhibierte Regionen behandelt (oder beschichtet) wurden, um das Sintern zu verhindern oder zu verlangsamen (oder eine höhere Temperatur als vorhanden), nur die nicht inhibierten Pulververschreibungen zu einer festen Komponente.

5. Nachbearbeitung / Entfernung von losen Pulver
nach dem Sintern, das inhibierte (nicht gesinterte) Pulver, das nicht verschmolzen, locker oder nur schwach gebunden bleibt. Dieses Pulver wird entfernt (z. B. durch Bürsten, Sandstrahlung oder einfache mechanische Entfernung), wobei das endgültige Objekt verlässt.

6. Abschluss
wie bei anderen Metall/Keramik -Sinterteilen, abhängig von den erforderlichen Toleranzen und Oberflächenfinish, können zusätzliche Endstufen (Bearbeitung, Polieren, möglicherweise sekundäres Sintern oder Tempern) erforderlich sein. Die Ausgabe von SIS hängt von der Treue der Inhibitorablagerung, der Pulvereigenschaften und des Sinternverhaltens ab.

Warum 'Hemmung' anstelle einer direkten Fusion?

SIS kehrt einen Teil des typischen Ansatzes bei Pulversintern- / Fusionsprozessen um. Die meisten herkömmlichen Pulverbettfusion (PBF) oder Sinterbasis AM-Methoden verwenden eine Wärme (Laser, Elektronenstrahl oder andere), um das Pulver in Zielregionen (z.

SIS wählt stattdessen aus, wo nicht zu verschmelzen ist, indem ein Inhibitor angewendet wird, was bedeutet:

• Nur der 'negative' Raum (der Bereich außerhalb des gewünschten Teils) muss explizit durch Inhibitorabscheidung definiert werden, anstatt das gesamte Pulverbett mit Energie, außer in unerwünschten Zonen.

• Die Energiequelle (Sinterofen) kann im Vergleich zu präzisen Lasern oder Strahlsystemen relativ einfach sein.

• Potenziell geringere Kosten, einfachere Hardware und möglicherweise bessere Skalierbarkeit für größere Teile, da die Herausforderung, einen Strahl zu fokussieren und zu scannen, durch einen Hemmmechanismus + Ofenssintern ersetzt wird.

Vorteile von SIS gegenüber traditionellen Methoden

Das selektive Hemmsintern bietet eine Reihe potenzieller Vorteile, insbesondere für bestimmte Anwendungen oder Anwendungsfälle. Einige der wichtigsten Vorteile sind:

1. Niedrigere Gerätekosten
   Da für das Verfahren keine Hochleistungslaser, Scan-Optik oder Elektronenstrahlen für selektives Schmelzen erforderlich sind, können die Hardwarekosten erheblich reduziert werden. Der Sinterofen, der Controller, der Pulversprequer und der Inhibitor -Abscheidungsmechanismus sind in vielerlei Hinsicht einfacher.

2. Potentielle Geschwindigkeitsgewinne für bestimmte Geometrien,
   da nur die Teilgrenze (dh Inhibitorabscheidung) eine präzise Strukturierung benötigt, und das Innere des Teils ist nur Basispulver. Es kann weniger Arbeit pro Schicht geben, was möglicherweise die Ablagerung für große feste Volumina beschleunigt.

3. Materialwirkungsgrad / Abfallhandhabung
   der Verwendung von lockem Pulver in nicht inhibierten Regionen bedeutet, dass das gleiche Grundpulver sowohl für Teil als auch für umgebende Material verwendet wird. Nur das inhibierte Pulver (oder Inhibitor) ist Opfer. Wenn dies ordnungsgemäß verwaltet wird, kann dies einen Teil der Komplexität der Entfernung von Stützstrukturen oder der Sorge um Übersprüche- oder Strahlbreiten-Effekte verringern.

4. Die Skalierbarkeit von größeren Teilen
   Wenn die Teilgröße zunimmt, benötigen Laser- oder Balkensysteme häufig mehr Energie, Gesichtsprobleme des Fokus, Wärmediffusion, Scan -Pfad usw. SIS vermeiden einige dieser Nachteile, da das Sintern in einem Ofen gleichmäßiger als durch Scannen auftritt.

5. Die Flexibilität von Materialien
   SIS wurde nicht nur für Metalle und Polymere, sondern auch für Keramik untersucht. Bei der Keramik hilft die Anwendung eines Inhibitors bei der Schaffung von lebensfähigen grünen Teilen und dann bei der Anschließung. Dies kann einen Teil der Komplexität der Keramik- oder Laser-Sinterkeramik auf Bindemittelbasis vermeiden, die unter hoher Energie, Verzerrungen und anderen Mängel leiden kann.

6. Vereinfachte Unterstützungs- / Formgrenzen
   Da der Inhibitor die 'außerhalb ', Stützstrukturen oder Überhänge effektiv definiert, können möglicherweise auf neue Weise behandelt werden, was möglicherweise die Notwendigkeit einer Hinzufügung physischer Stütze in einigen Fällen verringert. Das lockere Pulver außerhalb der Regionen außerhalb des Außenbereichs wirkt sich bis zur Entfernung wie eine Stütze.

Herausforderungen, Einschränkungen und technische Hürden

Wie jede aufkommende Technologie steht auch SIS auch Materials-, Verarbeitungs- und Designherausforderungen, die angegangen werden müssen, bevor sie weit verbreitet werden können. Einige davon sind:

1. Inhibitormaterial und Wirksamkeit

l Der Inhibitor muss in behandelten Bereichen ausreichend verhindern oder schmelzen, ohne die gewünschten Regionen zu beeinträchtigen.

l Es muss eine Stabilität unter Sintertemperaturen haben (dh entweder ein höheres Sintern-/Schmelzpunkt oder auf andere Weise nicht abgebaut).

L Bei flüssigen Inhibitoren müssen Probleme wie Überlagerung (Inhibitor, die über die beabsichtigte Grenze hinaus sickern), Diffusion und Rückstände behandelt werden.

L Für Keramik oder höheres Temperatur -Sintern werden flüssige Inhibitoren häufig ineffektiv oder problematisch; Trockenpulver -Inhibitoren sind eine mögliche Lösung, bringen jedoch ihre eigenen Handhabungsprobleme mit.

2. Auflösung und Präzision

l Die Treue des letzten Teils hängt stark davon ab, wie genau der Inhibitor abgelagert werden kann. Jegliche Fehlausrichtung, Überspray oder Unschärfe wird die Grenze zwischen dem gesinterten Teil und nicht übertragenen Pulver abbauen.

L Pulverpartikelgröße ist auch wichtig: Größere Partikel verringern die Auflösung; Sehr kleine Partikel sind teurer, schwieriger zu handhaben, anfälliger für Agglomeration oder Flussprobleme.

3. Schrumpf und Verzerrung

L Sinterprozesse führen normalerweise zu Schrumpfung; Teile können deformieren. Das Vorhandensein von nicht gesinterten Umschlägen oder Grenzen, die durch Inhibitoren definiert sind, führt zu einer zusätzlichen Komplexität bei der Vorhersage, wie sich die endgültige Geometrie ergeben wird.

L Einheitliche Erwärmung im Ofen gegen lokalisiertes Sintern kann immer noch Temperaturgradienten, Verzerrungen oder Mängel verursachen, wenn sie nicht gut kontrolliert werden.

4. Nachbearbeitung von losen Pulver / Reinigung

l Die Entfernen von Inhibitoren und nicht übertragenes Pulver kann sauber sein, insbesondere in feinen Merkmalen oder Innenhöhlen.

l Das übrig gebliebene Pulver kann durch Inhibitor kontaminiert werden, was die Wiederverwendung von Pulver oder Recycling komplizieren könnte.

5. Materialkosten- und Pulverhandhabung

l Einige Pulver (insbesondere Metall- oder Keramikpulver) sind teuer, empfindlich (Oxidation, Feuchtigkeit) und stellen Gesundheits-/Sicherheitsprobleme auf. Es ist nicht trivial, große Mengen sicher zu behandeln oder Pulver wiederzuverwenden.

l Der Inhibitor selbst muss angemessen verwaltet, gespeichert und entsorgt werden.

6. Thermisches Management

l Sintertemperaturen für Metalle/Keramik sind hoch; Thermische Gradienten, Ofengleichmäßigkeit und Heizgeschwindigkeitskontrolle sind entscheidend.

l Das thermische Profil des Inhibitors muss bekannt sein, um sicherzustellen, dass es sich während des Erhitzens wie erwartet verhält (dh bleibt nicht übersetzt oder zumindest nicht verschmolzen).

7. Durchsatz- / Zykluszeit

l Obwohl SIS einige Geschwindigkeitsgewinne verspricht, kann der Gesamtprozess (Pulververbreitung, Inhibitorablagerung, Ofenssintern, Nachentfernung) für bestimmte Anwendungen im Vergleich zu schnellen PBF -Systemen (für dünne/geschichtete Teile) für bestimmte Anwendungen möglicherweise noch relativ langsam sein.

l Kühlzeit, Sinterzeit und Nachbearbeitung tragen zur Gesamtproduktionszeit bei.

8. Software- und Prozesssteuerung

l Sie benötigen eine gute Software, um CAD in Anweisungsschichten für Pulver- und Inhibitorabscheidung umzuwandeln.

l Die richtige Kontrolle der Ablagerung, Umgebungsbedingungen (z. B. Temperatur, Luftfeuchtigkeit) und Überwachung ist erforderlich.

Anwendungen und Anwendungsfälle

Obwohl SIS in vielerlei Hinsicht immer noch weitgehend die Forschungsstadium, hat SIS potenzielle (oder nachgewiesene) Anwendungen in mehreren Bereichen:

• Metall-3D-Druck für die Kostensensitive Nutzung
  kann die Produktion von Metallteilen mit niedrigeren Kapitalkostenmaschinen ermöglichen, sodass kleinere Firmen oder Labors Metall AM mit günstigeren Geräten durchführen können.

• Keramikteile Herstellung
  Keramik sind durch traditionelle Techniken ohne umfangreiche Nachbearbeitung schwer zu drucken. SIS bietet Möglichkeiten, komplexe Keramikteile zu erstellen, wobei weniger Bindemittel oder extrem energiegeladene Lasersintern erforderlich sind.

• Große strukturelle Komponenten
  für große Teile, in denen Laser/EB -Maschinen Probleme haben (Strom, Brenngenauigkeit, Scangeschwindigkeit), können SIS einen Weg zur skalierbaren Produktion bieten.

• Prototyping / Forschung
  frühes Prototyping von Metall / Keramikformen, bei denen die Kosten- oder Geräteverfügbarkeit begrenzt ist.

• Space / In-situ-Herstellung
  Einige Arbeiten erwähnen, dass Schwester für die Herstellung im Raum oder für die Off-Earth-Herstellung (Mondregolith usw.) besonders interessant sind, da verfügbare Rohstoffe verwendet werden können und einfachere Geräte machbarer sein könnten.

Vergleich: Schwester gegen andere Pulver -AM -Methoden

Hier sind einige Vergleiche mit etablierteren 3D -Druck- / Pulver -Sinter- / Fusionsprozessen:

Besonderheit	Schwester	Selektives Lasersintern / Direktmetall -Lasersintern (SLS / DMLs) / Pulverbett Fusion
Heizmechanismus	Bulk -Sinterofen; Inhibitor definiert, wo das Sintern auftritt	Lokalisierte Energiequellen (Laser, Elektronenstrahlen) selektiv Sicherung/Schmelzpulver
Ausrüstungskosten	Potenziell niedriger (kein Scannen von Laser, komplexe Optik)	Höher (Laser-/Strahlkontrolle, Scan -Spiegel usw.)
Energiequelle Komplexität	Einfacher; gleichmäßigere Erwärmung	Komplexer; präzise Optik, Energieversorgung, Scankontrolle
Geschwindigkeit für große feste Teile	Möglicherweise nur schnellere Grenzen, da das Innenraum Basispulver ist	Potenziell langsamer, weil jedes gewünschte Volumen verschmolzen oder gebaut werden muss
Materielle Einschränkungen	Braucht Inhibitormaterial, sorgfältige Übereinstimmung; Probleme mit Flüssigkeiten bei hohem T usw.	Viele Metalle / Polymere / Keramik, obwohl sich die Kosten und die Handhabung unterscheiden
Auflösung und Genauigkeit	Begrenzt durch Inhibitorabscheidung Genauigkeit, Pulvergröße, Ofenkontrolle	Hohe Auflösung möglich, insbesondere bei feinem Pulver und präziser Strahlkontrolle
Abfall / Stützen	Lose Pulver stützt natürlich; Vielleicht weniger Gemeinkosten; Inhibitorentfernung erforderlich	Unterstützungen, die häufig für Überhänge benötigt werden; Laser -Sintermüllpulver; Unterstützt die Entfernung erforderlich

Forschungshighlights und Fallstudien

Einige interessante Studien und Ergebnisse umfassen:

• Die ursprüngliche SIS-Entwicklung für Polymere und Metalle von Khoshnevis et al.

• SIS für Keramik angewendet: In 'selektives Hemmsintern für Keramik zeigt die Forschung mit trockenen Pulverinhibitoren (z. B. Magnesiumoxid, Aluminiumoxid), um die Sintergrenzen abzugrenzen. Vorläufige Experimente zeigten eine praktikable Trennung von Teilen von redundantem Pulver und nutzbaren mechanischen Eigenschaften.

• Tests mit Mondregolith Simulant: Studien haben SIS untersucht, um Gebäude-/Landungs-Pad-Fliesen in Weltraumumgebungen mithilfe von In-situ-Ressourcen herzustellen. Die Idee ist, dass das Basispulver so etwas wie ein Mondregolith simulant ist und einen Inhibitor (mit höherem Sinterpunkt) als Grenze verwendet. Nach dem Sintern sind Teile vom ungehemmten (nicht gesenkten) Pulver getrennt.

Praktische Überlegungen bei der Verwendung von SIS

Für alle, die daran denken, einen SIS -Prozess zu verwenden oder zu entwickeln, finden Sie hier praktische Punkte, um darauf zu achten:

1. Pulverauswahl und -vorbereitung

L Partikelgrößenverteilung: feine, gleichmäßige Pulver helfen bei der Auflösung und einem gleichmäßigen Sintern.

l Sauberkeit: Keine Feuchtigkeit, Verunreinigungen.

2. Inhibitor -Design

l Chemie: Wirksame Hemmung ohne Einmischung mit Basispulver.

l Liefermechanismus: Tintenstrahlköpfe, Spray oder Düsen für Trockenpulver.

l Dicke und Treue: minimale Überwehrung; scharfe Grenzen.

3.. Sinterofen -Design / thermische Kontrolle

l gleichmäßige Temperaturverteilung.

l Richtige Heizungs- und Kühlraten, um die thermischen Belastungen zu reduzieren.

4. CAD / Layering / Slicing -Software

l muss die Dual-Materials/-schicht-Abscheidung unterstützen: Basispulver + Inhibitormuster.

L muss in der Lage sein, Inhibitor 'Shells ' oder Grenzwege genau zu erzeugen.

5. Nachbearbeitung & Reinheit

l Entfernung von nicht gesenktem Pulver und Inhibitor.

L Oberflächenverschluss und alle erforderlichen Verdichtung.

6. Qualitätskontrolle und Tests

l Tests auf Dichte, mechanische Eigenschaften (Stärke, Zähigkeit).

l Dimensionalgenauigkeit gegen CAD -Modell.

l Materialzusammensetzung (um keine unerwünschte Restinhibitor -Kontamination zu gewährleisten).

7. Sicherheit und Handhabung

L Sicherheitspuktionsverkehrssicherheit (insbesondere Metalle, Keramik).

l Inhibitormaterialien: Chemische Sicherheit, Entsorgung.

l Wärmeausrüstung Sicherheit.

Einschränkungen und offene Forschungsfragen

SIS ist zwar vielversprechend und ist noch kein weit verbreiteter industrieller Standard geworden. Zu den wichtigsten offenen Fragen gehören:

• Was ist die langfristige mechanische Leistung (Müdigkeit, Zähigkeit) von SIS-Teilen im Vergleich zu vollständig laserverzündeten?

• Wie gut kann die Auflösung vorangetrieben werden (sowohl in der Grenzschärfe als auch in der internen Merkmalsdetails)?

• Können Inhibitormaterialien standardisiert, kostengünstig und im Maßstab leicht angewendet werden, ohne die Leistung zu beeinträchtigen?

• Wie effizient kann ungehemmte Pulver / lockeres Pulver recycelt oder wiederverwendet werden?

• Was sind die Grenzen in Bezug auf Teilgröße, Komplexität, Überhänge, interne Kanäle usw.?

• Was sind die Ökonomie, wenn sie die vollständigen Prozesskosten (Pulver + Inhibitor + Ofen + Nachbearbeitung) im Vergleich zu herkömmlichen PBF oder anderen AM-Methoden berücksichtigen?

Zukunftsaussichten

Angesichts seiner Vorteile und Herausforderungen finden Sie hier einige wahrscheinliche Bereiche für die zukünftige Entwicklung von SIS:

• Fortgeschrittene Inhibitormaterialien und Abscheidungssysteme
  Bessere Inhibitoren, die zuverlässig, weniger kostspielig sind, leicht zu deponentieren, möglicherweise selbstlimitierend, vielleicht sogar intelligente Inhibitoren, die auf die Temperatur reagieren. Genauere Abscheidungshardware (verbesserte Tintenstrahl-, Spray- oder Pulverdüsensysteme).

• Hybridprozesse,
  die SIS mit anderen AM -Methoden kombinieren; Beispielsweise unter Verwendung von SIS für das Volumen oder die Struktur des Schüttguts und die Verwendung des Lasersinterns oder andere Techniken für feinere Details oder Fertigstellung.

• Anwendungsspezifische Anwendungsfälle,
  in denen die Kostenreduzierung für Metall/Keramik AM sehr wünschenswert ist: Luft- und Raumfahrt, Raumexploration, Architekturkeramik, große Herstellung, möglicherweise Bau.

• Supply Chain & Materials -Ökosysteme
  Bessere Pulver, bessere Inhibitorversorgung, besseres Recycling von Pulver, Standardisierung von Prozessmaterialien, um Kosten und Variabilität zu senken.

• Automatisierung und digitale Steuerung
  verbesserte die Prozessüberwachung, die Kontrolle der Temperatur, die Ablagerung inhibitor, die Ofenatmosphäre usw., um konsistente Teile zu gewährleisten.

• Regulatorische und Zertifizierung
  für kritische Teile (medizinisch, Luft- und Raumfahrt), SIS -Teile müssen ihre Zuverlässigkeit, strukturelle Integrität und Reproduzierbarkeit nachweisen.

Abschluss

Selektive Hemmsintern (SIS) ist eine faszinierende und potenziell disruptive Technologie in der additiven Fertigungslandschaft. Es bietet einen anderen Weg zur Herstellung von Metall-, Polymer- und Keramikteilen, indem der typische 'selektive Fusionsansatz' und stattdessen selektive Hemmung verwendet wird , um zu definieren, wo das Sintern nicht auftreten sollte. Dies kann die Komplexität der Ausrüstung senken, möglicherweise Kosten senken und Vorteile der Skalierbarkeit bieten, insbesondere für größere Teile oder solche aus Keramik.

SIS ist jedoch immer noch eine sich entwickelnde Technologie. Der Erfolg bei der industriellen Einführung hängt von der Lösung von Herausforderungen in Bezug auf die Auflösung, Inhibitormaterialien, das thermische Management, die Wiederverwendung von Pulver und die Gesamtprozessökonomie ab. Angesichts der bisherigen Forschung ist SIS ein starker Kandidat für zukünftiges Wachstum, insbesondere in Sektoren, in denen der traditionelle Metall-/Keramik -3D -Druck kostspielig oder unpraktisch ist.