Vai ir būtiska atšķirība 3D drukāšanas precizitātē starp dažādiem metāla materiāliem?

1. Materiāla īpašības: fizikālās un ķīmiskās īpašības, kas ietekmē precizitātes iespēju
3D drukāšanas precizitāte ar metāla materiāliem galvenokārt ir saistīta ar mijiedarbību starp materiāla termodinamisko uzvedību kušanas un sacietēšanas procesā un procesa pārvaldību. Izmaiņas šādu četru izplatīto materiālu īpašībās tieši ietekmē to izdruku precizitāti:
Titāna sakausējums (piemēram, TC4/Ti-6Al-4V)
Titāna sakausējumi ir spēcīgi, viegli un izturīgi pret rūsu, taču tos var precīzi izdrukāt tikai divu galveno iemeslu dēļ:
Augsts termiskās saraušanās ātrums: TC4 lineārais izplešanās koeficients ir 8,6 × 10⁻⁶/grāds, kas nozīmē, ka ātri atdziestot, tas var viegli izraisīt atlikušo spriegumu, kas var izraisīt detaļu deformāciju un formas maiņu. Piemēram, ja pēc lidmašīnas dzinēja lāpstiņas veidnes izdrukāšanas neizmantojat karsto izostatisko presēšanu (HIP), izmēri var samazināties pat par ± 0,3 mm. Pēc HIP apstrādes izmēri var samazināties tikai par ± 0,05 mm.
Zems lāzera absorbcijas ātrums: titāna sakausējums var atstarot līdz pat 60% lāzera gaismas, tāpēc, lai tas vienmērīgi izkausētu, ir nepieciešams augsts enerģijas blīvums (parasti > 100 W/mm²). Tomēr pārāk daudz enerģijas var radīt izšļakstīšanos un mainīt virsmas raupjumu. Varat samazināt virsmas raupjumu no Ra25 μm līdz Ra10 μm, mainot skenēšanas paņēmienu (piemēram, izmantojot šaha galdiņa skenēšanu).
Viens piemērs ir 316L nerūsējošais tērauds.
Nerūsējošajam tēraudam ir liels procesa logs, un tas nav īpaši jutīgs pret karstuma plaisām, kas padara to labāku drukāšanai:
Stabils plašs kausējuma baseins: 316 L kūst 1375 grādos, un vienmērīgu kausējuma baseinu var izveidot ar lāzera jaudu no 50 līdz 200 W un izmēru precizitāti ± 0,05 mm. Uzņēmums, kas ražo medicīnas ierīces, izmantoja SLM tehnoloģiju, lai drukātu kaulu plāksnes ar apertūras pielaidi ± 0,02 mm, kas atbilda ortopēdisko implantu salikšanas prasībām.
Organizācijas vienveidība: 316L austenīta raksturs samazina tā atdalīšanās iespējamību drukāšanas procesā. Lietojot ar apstrādi ar cieto šķīdumu (izolācija 1050 grādu temperatūrā 1 stundu un dzēšana ar ūdeni), starpslāņu savienojuma defektus var novērst, kas palielina noguruma kalpošanas laiku par 30%.
Alumīnija sakausējums, piemēram, AlSi10Mg
Lielākā alumīnija sakausējuma drukāšanas problēma ir tā, ka tam ir augsta siltumvadītspēja, un tas ir pakļauts plaisāšanai, kad tas kļūst karsts.
Plaisas veidojas, kad kaut kas ātri atdziest: AlSi10Mg siltumvadītspēja ir 150 W/(m · K), un kausējuma baseins var atdzist ar ātrumu 10 ⁶ grādi/s, kas atvieglo karstu lūzumu veidošanos pie graudu robežām. Pievienojot 0,5% Sc elementa, graudu izmērs var būt mazāks par 1 μm, kas samazina plaisāšanas ātrumu no 15% līdz 0,5%.
Virsmas oksīda plēves ietekme: Alumīnija virsma, visticamāk, veidos biezu oksīda plēvi (Al ₂ O3), kā rezultātā pulveris slikti plūst un nozīmē, ka drukāšana jāveic ar vakuuma inertās gāzes aizsardzību. Pēc gāzes cirkulācijas sistēmas uzlabošanas jauna enerģijas transportlīdzekļa akumulatora bloka kronšteina virsmas raupjums mainījās no Ra50 μm līdz Ra15 μm.
Niķeļa{0}}bāzes augstas temperatūras{1}}sakausējumi, piemēram, Inconel 718
Augstas temperatūras{0}}sakausējumu izaicinājums ir kontrolēt mikrostruktūru ļoti augstā temperatūrā:
Kolonnu kristālu augšanas tendence: drukāšanas laikā Inconel 718 mēdz radīt kolonnveida kristālus, kas attīstās būvniecības virzienā. Tas padara materiālu anizotropisku. Mainot skenēšanas ātrumu (600–1000 mm/s) un slāņa biezumu (30–50 μm), graudu izmērs var samazināties no 500 μm līdz 100 μm, kā rezultātā stiepes izturība palielinās par 15%.
Jutība pret mikroplaisām: fāze (Ni ∝ (Al, Ti)) ātri atdziestot, visticamāk, veidos nelīdzenas nogulsnes, kas var izraisīt mikroplaisas. Vairāk nekā 90% mikroplaisu var noņemt, izmantojot pakāpenisku termisko apstrādi (720 grādu izolācija 8 stundas, kam seko gaisa dzesēšana un 620 grādu izolācija 8 stundas).
2. Procesa pielāgojamība: precīzas ieviešanas ceļa izvēle
Metāla 3D drukas precizitāte ir atkarīga gan no materiāla, gan no tā, cik labi procesa veids atbilst. Tālāk norādītajiem četriem izplatītajiem procesiem ir diezgan atšķirīgs precizitātes līmenis:
Lāzera selektīvās kausēšanas (SLM) precizitātes ieguvums: SLM lāzera punkta diametrs var būt pat 50 μm, slāņa biezums var būt no 20 līdz 60 μm, izmēru precizitāte var būt pat ± 0,05 mm, un virsmas raupjums Ra var būt pat 10 μm. Kāds aviācijas uzņēmums izmantoja SLM, lai drukātu turbīnu lāpstiņas, pārliecinoties, ka lāpstiņu profila pielaide ir ± 0,03 mm robežās, kas ir aviācijas dzinēju salikšana.
Materiālu ierobežojumi: lai materiāli ar augstu atstarošanas spēju (piemēram, varš) absorbētu vairāk, jums jāizmanto zaļais lāzers (532 nm) vai zils lāzers (450 nm). Tomēr aprīkojuma izmaksas palielinās par 30% līdz 50%.
Elektronu stara kušanas (EBM) precizitātes īpašības: EBM darbojas vakuumā ar lielu enerģijas blīvumu elektronu starā (līdz 10 ⁴ W/mm²), kas padara to piemērotu materiālu ar augstu kušanas temperatūru, tostarp titāna sakausējumu, drukāšanai. Noteikts ortopēdisko implantu ražotājs izmantoja EBM, lai drukātu gūžas locītavas kausus. Virsmas raupjums Ra bija mazāks par vai vienāds ar 8 μm, nebija oksīda slāņa, un krūzes bija bioloģiski saderīgākas nekā tās, kas izgatavotas ar tradicionālajām metodēm.
Termiskā sprieguma kontrole: EBM var sasildīt daļas līdz 700 grādiem pēc Celsija, kas var samazināt atlikušo spriegumu un deformāciju par 80%.
Directed Energy Deposition (DED) sprauslas diametrs ir no 0,8 līdz 2 mm, slāņa biezums ir no 0,5 līdz 2 mm, izmēru precizitāte ir ± 0,5 mm un virsmas raupjums no Ra20 līdz 100 μm. Noteikts aviācijas dzinēju uzņēmums izmantoja DED, lai salabotu turbīnas disku. Remonta slānis un pamatne ir savienoti kopā ar metalurģisko izturību 400 MPa, kas atbilst ekspluatācijas prasībām.
Efektivitātes priekšrocība: DED sedimentācijas ātrums ir 200 cm³/h, kas ir vairāk nekā 10 reizes lielāks nekā SLM. Tas padara to piemērotu lielu gabalu nostiprināšanai vai iepriekšējai veidošanai.
Izsmidzināmā līmjava (BJ)
Precizitātes potenciāls: BJ izmēru precizitāte ir ± 0,1 mm un virsmas raupjums Ra20-60 μm. Tomēr pēc apstrādes tas ir jāattauko (400-600 grādi) un jāsaķepina (1200-1300 grādi), kas izraisa tā saraušanos par 15% līdz 20%. Konkrēts automašīnu uzņēmums izmanto BJ apdrukātus veidņu ieliktņus, un pēc to pabeigšanas izmērs paliek stabils ± 0,05 mm robežās, kas ir nepieciešams masveida ražošanai.
Izmaksu priekšrocība: BJ atsevišķais gabals maksā par 60% līdz 70% mazāk nekā SLM, kas padara to piemērotu situācijām, kad nepieciešama vidēja precizitāte un liels mērogs.
3. Tipisks gadījums: Precizitātes neatbilstību praktiskā pielietojuma pārbaude
Titāna sakausējuma asmeņi lidmašīnu dzinējiem Drukāšana, izmantojot SLM
Viens aviācijas uzņēmums izmantoja SLM tehnoloģiju, lai izgatavotu TC4 titāna sakausējuma asmeņus. Uzlabojot skenēšanas metodes (piemēram, spirālveida skenēšanu) un atbalsta struktūras (piemēram, režģa atbalstu), asmens profila pielaide samazinājās no ± 0, 1 mm līdz ± 0, 03 mm, un virsmas raupjums palielinājās no Ra25 μm līdz Ra8 μm. Tas padarīja dzinēju par 2% efektīvāku.
Medicīnisko ierīču implantēšanai tiek izmantots 316L nerūsējošais tērauds. SLM druka
Ortopēdijas uzņēmums izmantoja SLM, lai drukātu 316L nerūsējošā tērauda kaulu plāksnes. Diafragmas atvēruma pielaide tika iestatīta uz ± 0,02 mm, un pēc elektrolītiskās pulēšanas virsmas raupjums Ra < 0,8 μm atbilda ISO 13485 medicīniskajam standartam, par 30% samazinot laiku, kas nepieciešams kaula integrācijai.
Akumulatoru komplekts jaunam enerģijas transportlīdzeklim: AlSi10Mg Drukāts ar SLM
Jauns enerģijas transportlīdzekļu uzņēmums izmanto SLM drukātus akumulatoru bloku kronšteinus, lai mainītu graudu izmēru, pievienojot 0,5% Sc elementu, kas samazina karstā lūzuma līmeni no 15% līdz 0,5%. Kronšteina izturība palielinās par 25% un tā svars samazinās par 30%, ja to termiski -apstrādā ar T6 (530 grādu cietā šķīduma + 170 grādu novecošana).