Kas 3D-printimise täpsuses on erinevate metallmaterjalide vahel oluline erinevus?

1. Materjali omadused: füüsikalised ja keemilised omadused, mis mõjutavad täpsuse võimalust
Metallmaterjalidega 3D-printimise täpsus tuleneb enamasti materjali termodünaamilise käitumise koosmõjust sulamis- ja tahkumisprotsessis ning protsessi juhtimise vahel. Järgmise nelja levinud materjali omaduste muutused mõjutavad otseselt nende väljatrükkide täpsust:
Titaani sulam (nt TC4/Ti-6Al-4V)
Titaanisulamid on tugevad, kerged ja roostekindlad, kuid neid saab täpselt trükkida ainult kahel peamisel põhjusel:
Kõrge termilise kokkutõmbumise määr: TC4 lineaarpaisumise koefitsient on 8,6 × 10⁻⁶/ kraadi, mis tähendab, et see võib kiiresti jahtudes kergesti tekitada jääkpingeid, mis võib põhjustada osade kõverdumist ja kuju muutmist. Näiteks kui te ei kasuta pärast õhusõiduki mootori laba vormi printimist kuumisostaatilist pressimist (HIP), võivad mõõtmed olla ± 0,3 mm võrra väiksemad. Pärast HIP-töötlust võivad mõõtmed väheneda ± 0,05 mm võrra.
Madal laseri neeldumismäär: titaanisulam võib peegeldada kuni 60% laservalgusest, seega vajab see ühtlaseks sulamiseks suurt energiatihedust (tavaliselt > 100 W/mm²). Liiga palju energiat võib aga tekitada pritsmeid ja muuta pinna karedust. Pinna karedust saate vähendada Ra25 μm-lt Ra10 μm-le, muutes skaneerimistehnikat (nt malelaua skannimist).
Üks näide on 316L roostevaba teras.
Roostevaba teras on suure protsessiaknaga ja ei ole eriti tundlik kuumapragude suhtes, mistõttu on see printimisel parem:
Stabiilne lai sulamisbassein: 316 liitrit sulab 1375 kraadi juures ja püsiva sulamisbasseini saab teha laseri võimsusega 50–200 W ja mõõtmete täpsusega ± 0,05 mm. Meditsiiniseadmeid tootev ettevõte kasutas SLM-tehnoloogiat ± 0,02 mm ava tolerantsiga luuplaatide printimiseks, mis vastasid ortopeediliste implantaatide kokkupanemise nõuetele.
Organisatsiooni ühtsus: 316L austeniitse olemus muudab selle printimisprotsessi ajal vähem tõenäoliseks. Tahkelahusega töötlemisel (isolatsioon 1050 kraadi juures 1 tund ja veega karastamine) saab parandada kihtidevahelised liimimisvead, mis pikendab väsimisiga 30%.
Alumiiniumisulam, näiteks AlSi10Mg
Suurim probleem alumiiniumisulami printimisel on see, et sellel on kõrge soojusjuhtivus ja see on kuumaks muutudes altid pragunemisele.
Praod tekivad, kui midagi kiiresti jahtub: AlSi10Mg soojusjuhtivus on 150 W/(m · K) ja sulamisbassein võib jahtuda kiirusega 10 ⁶ kraadi/s, mis muudab kuumade murdude tekkimise terade piiridel lihtsaks. 0,5% Sc-elemendi lisamine võib muuta tera suuruse väiksemaks kui 1 μm, mis vähendab pragude määra 15% -lt 0,5% -le.
Pinna oksiidkile mõju: alumiiniumpind tekitab tõenäoliselt paksu oksiidkile (Al ₂ O3), mis muudab pulbri halvasti voolavaks ja tähendab, et printimisel tuleb kasutada inertgaasi vaakumkaitset. Pärast gaasi tsirkulatsioonisüsteemi parandamist muutus uue energiasõiduki akuploki pinna karedus Ra50 μm-lt Ra15 μm-ni.
Nikli{0}}põhised kõrgtemperatuurilised-sulamid, näiteks Inconel 718
Kõrgetemperatuuriliste{0}}sulamite väljakutse seisneb mikrostruktuuri kontrollimises väga kõrgetel temperatuuridel:
Kolonnkristallide kasvu tendents: Inconel 718 kipub printimise ajal tekitama sammaskujulisi kristalle, mis arenevad ehituse suunas. See muudab materjali anisotroopseks. Skaneerimiskiiruse (600–1000 mm/s) ja kihi paksuse (30–50 μm) muutmine võib viia tera suuruse 500 μm-lt 100 μm-ni, mis suurendab tõmbetugevust 15%.
Tundlikkus mikropragude suhtes: Faas (Ni ∝ (Al, Ti)) moodustab kiiresti jahtudes tõenäoliselt ebaühtlasi ladestusi, mis võivad põhjustada mikropragusid. Rohkem kui 90% mikropragudest saab eemaldada astmelise kuumtöötlusega (720 kraadi isolatsioon 8 tundi, millele järgneb õhkjahutus ja 620 kraadi isolatsioon 8 tundi).
2. Protsessi kohandatavus: täpse rakendamise tee valimine
Metallist 3D-printimise täpsus sõltub nii materjalist kui ka sellest, kui hästi protsessi tüüp sobib. Järgmisel neljal tavalisel protsessil on üsna erinev täpsusaste:
Laseri selektiivsulamise (SLM) täpsuse eelis: SLM-i laserpunkti läbimõõt võib olla nii väike kui 50 μm, kihi paksus võib olla vahemikus 20 kuni 60 μm, mõõtmete täpsus võib olla kuni ± 0,05 mm ja pinna karedus Ra võib olla kuni 10 μm. Üks lennundusettevõte kasutas turbiinilabade printimiseks SLM-i, tagades, et laba profiili tolerants on ± 0,03 mm, mis on vajalik lennukimootorite kokkupanemiseks.
Materjalipiirangud: suure peegeldusvõimega materjalide (nt vask) neelamiseks rohkem, peate kasutama rohelist laserit (532 nm) või sinist laserit (450 nm). Seadmete maksumus aga tõuseb 30% kuni 50%.
Elektronkiire sulatamine (EBM) Täpsusfunktsioonid: EBM töötab vaakumis, kus elektronkiire energiatihedus on suur (kuni 10 ⁴ W/mm²), mistõttu on see hea kõrge sulamistemperatuuriga materjalide, sealhulgas titaanisulamite trükkimiseks. Teatud ortopeediliste implantaatide tootja kasutas puusaliigese tasside printimiseks EBM-i. Pinna karedus oli Ra väiksem või võrdne 8 μm, oksiidikiht puudus ja tassid olid bioloogiliselt ühilduvamad kui traditsiooniliste meetoditega valmistatud tassid.
Termilise pinge juhtimine: EBM võib soojendada osi 700 kraadini Celsiuse järgi, mis võib vähendada jääkpinget ja kõverust 80% võrra.
Suunatud energiasadestamise (DED) düüsi läbimõõt on 0,8–2 mm, kihi paksus 0,5–2 mm, mõõtmete täpsus ± 0,5 mm ja pinnakaredus Ra20 kuni 100 μm. Teatud lennukimootorite ettevõte kasutas DED-d turbiiniketta parandamiseks. Paranduskiht ja aluspind on omavahel ühendatud metallurgilise tugevusega 400 MPa, mis vastab teenindusnõuetele.
Tõhususe eelis: DED settimiskiirus on 200 cm³/h, mis on üle 10 korra suurem kui SLM-il. See muudab selle hea suurte tükkide kinnitamiseks või eelvormimiseks.
Pihustusliim (BJ)
Täpsuse potentsiaal: BJ mõõtmete täpsus on ± 0,1 mm ja pinna karedus on Ra20-60 μm. Pärast töötlemist tuleb see aga rasvatustada (400–600 kraadi) ja paagutada (1200–1300 kraadi), mis põhjustab selle kokkutõmbumise 15–20%. Teatud autofirma kasutab BJ-trükiga vormitükke ja pärast nende valmimist jääb suurus stabiilseks ± 0,05 mm piires, mis on masstootmise jaoks vajalik.
Kulueelis: BJ üksiktükk maksab 60–70% vähem kui SLM, mistõttu on see hea olukordades, kus on vaja keskmist täpsust ja suurt mõõtkava.
3. Tüüpiline näide: täpsuse lahknevuste praktiline rakenduskontroll
Titaanisulamist terad lennukimootoritele Printimine SLM-i abil
Üks lennundusettevõte kasutas TC4 titaanisulamist terade valmistamiseks SLM-tehnoloogiat. Skaneerimistehnikate (nagu spiraalskaneerimine) ja tugistruktuuride (nagu võre tugi) täiustamisega tõusis tera profiili tolerants ± 0, 1 mm-lt ± 0, 03 mm-ni ja pinna karedus muutus Ra25 μm-lt Ra8 μm-ni. See muutis mootori 2% efektiivsemaks.
Meditsiiniseadmete implanteerimiseks kasutatakse 316L roostevaba terast. SLM trükkimine
Ortopeediaettevõte kasutas SLM-i 316L roostevabast terasest luuplaatide printimiseks. Ava tolerants määrati ± 0,02 mm ja pärast elektrolüütilist poleerimist vastas pinna karedus Ra < 0,8 μm ISO 13485 meditsiinistandardile, vähendades luu integreerumiseks kuluvat aega 30%.
Uue energiasõiduki aku: AlSi10Mg, trükitud SLM-iga
Uus energiasõidukite ettevõte kasutab SLM-prinditud akuploki klambreid, et muuta tera suurust, lisades 0,5% Sc-elementi, mis vähendab kuummurdumise määra 15%lt 0,5%le. Klambri tugevus suureneb 25% ja kaal väheneb 30%, kui seda kuum{6}}töödeldakse T6-ga (530-kraadine tahke lahus + 170-kraadine vanandamine).