Vai metāla pulvera daļiņu izmērs ietekmē veidņu drukas kvalitāti?

一 Veids, kā daļiņu izmērs ietekmē drukas kvalitāti: sinerģisks efekts vairāk nekā vienā veidā
1. Pulveris vienmērīgi izkliedēts: pulvera slāņa blīvums ir atkarīgs no daļiņu izmēra.
Pirmais solis metāla 3D drukāšanā ir pulvera izplatīšana, un tas, cik vienmērīga ir, tieši ietekmē veidnes sākotnējo kvalitāti. Pulvera daļiņas, kas ir mazas (mazākas par 15 μm), mēdz salipt kopā, jo tām ir daudz virsmas enerģijas. Tas var radīt tukšumus vai pušķus pulvera slānī. No otras puses, ja daļiņas ir pārāk lielas (vairāk nekā 53 μm), tās var labi plūst, taču ierobežo minimālo slāņa biezumu, apgrūtinot tādu smalku elementu kā plānu -sienu struktūru izveidi. Piemēram, SLM procesā izmantojot 316L nerūsējošā tērauda pulveri ar daļiņām, kuru izmērs ir no 15 līdz 45 μm, pulvera slāņa biezumu var noturēt no 30 līdz 50 μm, un pulvera slāņa blīvums var sasniegt 99,2%. Bet, tā kā daļiņu izmērs pārsniedz šo diapazonu, porainība ievērojami palielinās.
Tikpat svarīgs ir daļiņu izmēru sadalījuma saprātīgums. Bimodāla sadalījuma izmantošana (rupju un smalku daļiņu sajaukšana) palīdz uzlabot pulvera iepakošanas blīvumu. Smalkas daļiņas aizpilda atstarpes starp rupjām daļiņām, kas palielina brīvā iepakojuma blīvumu par 10% līdz 15%. Tas samazina pelējuma iekšējos trūkumus. Uzlabojot Ti6Al4V pulvera daļiņu izmēru attiecību (D50=35 μm, D90=50 μm), konkrēts aviācijas uzņēmums palielināja turbīnu lāpstiņu veidņu blīvumu no 98,5% līdz 99,7% un noguruma kalpošanas laiku par 20%.
2. Baseina stabilitāte: līdzsvars starp daļiņu izmēru un enerģijas absorbciju, kas laika gaitā mainās
Izkausētais baseins ir galvenā daļa, kurā kūst metāla pulveris, un tā stabilitāte ir atkarīga no tā, cik labi pulveris absorbē lāzera/elektronu stara enerģiju. sīkām daļiņām ir liels īpatnējais virsmas laukums un ātrs siltuma absorbcijas ātrums. Tomēr pārāk sīki pulveri (piemēram,<10 μ m) can splash because to thermal stress concentration, which can cause porosity or incomplete fusing flaws. To thoroughly melt coarse particles, you need more energy, and not enough energy can make the layers stick together poorly. For instance, when printing with AlSi10Mg aluminum alloy, powders with a particle size of 20–50 μ m may make a stable melt pool at a laser power of 200W. However, when the particle size is>60 μm, daļēju saplūšanas defektu ātrums palielinās līdz 15%.
Nevienmērīgs daļiņu izmēru sadalījums var izraisīt arī siltuma vadīšanas nevienlīdzību noteiktos apgabalos, kas var veicināt atlikušā sprieguma koncentrāciju. Pētījumā atklājās, ka Inconel 718 pulvera ar plašu daļiņu izmēra sadalījumu (10–100 μm) izmantošana veidņu apdrukāšanai palielina atlikušo spriegumu par 30%, salīdzinot ar ierobežotu sadalījumu (20–50 μm). Tas palielina deformācijas deformācijas risku.
3. Virsmas kvalitāte un precizitāte: tieša daļiņu izmēra kontrole uz raupjuma
Veidnes virsmas raupjums ir labs veids, kā noteikt, cik labi notiek druka, jo tas ir tieši proporcionāls pulvera daļiņu izmēram. Jo mazākas daļiņas, jo gludāka virsma. Tomēr, ja pulveris ir pārāk smalks, tas slikti plūst un var izraisīt nevienmērīgu pulvera izkliedi, kas padara virsmu raupjāku. Piemēram, ja izmantojat 316L pulverdrukas veidnes ar D50 25 μm, virsmas raupjumu Ra varat saglabāt 8 μm robežās. Bet, ja izmantojat pulveri ar D50 15 μm, Ra vērtība būs lielāka par 15 μm, jo ​​daļiņas salīp kopā.
Izvēloties daļiņu izmēru sarežģītām strukturālām veidnēm (tādiem konformāliem dzesēšanas kanāliem), jums ir jāatrod kompromiss starp precizitāti un lietošanas ērtumu. Viens uzņēmums, kas ražo veidnes automašīnām, varēja izgatavot precīzas formas ar minimālo atvērumu 0,5 mm, izmantojot martensīta izturētu tērauda pulveri ar daļiņu izmēru 30–60 μm. Viņi arī pārliecinājās, ka ūdensceļa iekšējās sienas nelīdzenums Ra ir mazāks vai vienāds ar 10 μm.
2. Kopīgo procesu daļiņu izmēra pielāgošana: atšķirīgas vajadzības pēc SLM un EBM
1. SLM process: mazu daļiņu izmēra un augstas precizitātes kombinācija
SLM tehnikā kā enerģijas avots tiek izmantots lāzers, un koncentrētās vietas diametrs parasti ir no 50 līdz 100 μm. Tāpēc jums ir jāizvēlas smalks-graudains pulveris (15–53 μm), kas atbilst plankuma izmēram. Smalkās daļiņas var ātri absorbēt lāzera enerģiju un izveidot viendabīgu kausējuma baseinu, taču skābekļa daudzums ir jāsaglabā zem 150 ppm, lai izvairītos no oksīdu ieslēgumiem. Piemēram, izgatavojot veidnes titāna sakausējuma ortopēdiskajiem implantiem, TC4 pulveris ar daļiņu izmēru 20–45 μm un skābekļa līmeni 80 ppm var atbilst augstajiem -precizitātes standartiem attiecībā uz diafragmas pielaidi ± 0,02 mm un virsmas raupjumu Ra < 5 μm.
2. EBM process: atrodiet kompromisu starp lielu daļiņu izmēru un augstu efektivitāti.
EBM metode kā enerģijas avotu izmanto elektronu staru. Tā enerģijas blīvuma sadalījuma īpašības ir labākas rupju daļiņu (53–150 μm) kausēšanai. Rupjas daļiņas var samazināt pulvera slāņu skaitu, paātrināt drukāšanu un samazināt atlikušo spriegumu. Ja kāds aviācijas dzinēju uzņēmums izmanto EBM, lai izgatavotu augstas temperatūras sakausējuma turbīnu disku veidnes no niķeļa{5}}, tas izvēlas pulveri ar daļiņām, kuru izmērs ir no 60 līdz 105 μm. Izliekuma deformācija tiek saglabāta 0,1 mm robežās pie 700 grādu priekšsildīšanas temperatūras, un drukāšanas ātrums ir trīs reizes lielāks nekā SLM.
3. objektīva process: daļiņu izmēra un pulvera padeves stabilitātes saskaņošana
LENS (Laser Near Clean Forming) tehnikā tiek izmantota koaksiālā pulvera padeves pieeja. Lai pārliecinātos, ka pulvera padeve ir stabila, jāizvēlas rupjš pulveris ar daļiņu izmēru no 105 līdz 180 μm. Rupjas daļiņas var palīdzēt novērst pulvera padeves caurules aizsērēšanu, taču skenēšanas ātrums (600–1000 mm/s) ir jāiestata pareizajā līmenī, lai izvairītos no nepilnīgām saplūšanas kļūmēm. Konkrēts veidņu remonta uzņēmums izmantoja LENS tehnoloģiju, lai nostiprinātu presformas, izmantojot H13 tērauda pulveri ar daļiņām, kuru izmērs bija 120–150 μm. Ar lāzera jaudu 1000 W un skenēšanas ātrumu 800 mm/s, tika konstatēts, ka metalurģiskās saites stiprība starp remonta slāni un pamatni ir vismaz 400 MPa.
3. Daļiņu izmēra optimizēšanas stratēģija: pilnīga procesa kontrole no sagatavošanas līdz pēcapstrādei
1. Pulvera sagatavošana: izvēle starp aerosolizāciju un PREP tehnoloģiju
Gāzes izsmidzināšana (GA) tagad ir visizplatītākais pulvera pagatavošanas veids, jo tas ir lēts un darbojas labi. Tomēr tas bieži izgatavo satelītu pulveri (mazas daļiņas, kas pielīp pie lielāku daļiņu virsmas) un dobu pulveri, kas pazemina drukas kvalitāti. Plazmas rotējošo elektrodu izsmidzināšanas process (PREP) var izgatavot augstas kvalitātes pulverus, kuru sfēriskums ir lielāks par 98% un satelīta pulvera saturs ir mazāks par 0,5%, kausējot metālu ar ātrdarbīgiem{5}}rotējošiem elektrodiem. Tomēr aprīkojums ir dārgs. Augstākās klases veidņu izgatavotājs ir uzlabojis 316 l pulvera, kas izgatavots, izmantojot PREP procesu, noguruma kalpošanas laiku no 100 000 cikliem līdz 500 000 cikliem.
2. Skrīnings pēc daļiņu izmēra: divu-pakāpju skrīnings un gradācijas optimizācija
Divu-pakāpju skrīningu (piemēram, 30 μm un 53 μm sietus) var izmantot, lai iegūtu pulveri ar šauru daļiņu izmēra sadalījumu. Tas aptur nevienmērīgu pulvera izplatīšanos, kas rodas, sajaucot rupjas un mazas daļiņas. Apvienojot pulverus ar dažāda izmēra daļiņām, jūs varat uzlabot šķirošanu, palielinot tilpuma blīvumu. Piemēram, sajaucot 20% 10–20 μm smalka pulvera ar 80% 30–50 μm rupja pulvera, tilpuma blīvums var palielināties no 4,2 g/cm³ līdz 4,8 g/cm³.
3. Pēc apstrādes: karstā izostatiskā presēšana un virsmas pulēšana
Karstā izostatiskā presēšana (HIP) var aizpildīt veidņu caurumus un palielināt blīvumu līdz vairāk nekā 99,9%. Saskaņā ar pētījumu Ti6Al4V veidņu noguruma izturība, kas apstrādāta ar HIP, ir par 40% lielāka nekā neapstrādātām veidnēm. Virsmas pulēšana var padarīt to vēl gludāku. Piemēram, elektrolītiskās pulēšanas tehnoloģija var samazināt veidnes virsmas raupjumu no Ra10 μm līdz Ra0,2 μm, kas ir pietiekami labs augstas klases optiskām veidnēm un citām vajadzībām.