Kuidas vältida õhukese seina moonutusi metallist 3D-printimisel?

Mõelge kummipaelale, mida korduvalt kuumutatakse, venitatakse ja seejärel jahutatakse, olles endiselt piiratud. Umbes nii juhtubki kihtide kaupa. Laser sulatab äärmuslikul temperatuuril väikese koguse pulbrit. Ümbritsev materjal jääb jahedam. Kuum tsoon üritab laieneda, kuid ei saa; kui see jahtub ja kokku tõmbub, hoiab seda uuesti kinni selle ümber ja all olev tahke metall. Tõmbe jääkpinge tekib pinnal ja survepinge sügavamal sees.

Õhukestel seintel pole peaaegu mingit paindejäikust, nii et isegi mõõdukas jääkpinge tekitab nähtava kõveruse või paindumise. Pärast detaili konstruktsiooniplaadilt lõikamist vabanevad lukustatud pinged ja õhukesed siseseinad liiguvad esimesena. See on enamiku peamiseks põhjuseksmetallist 3D-printimise koolutamineprobleeme sisemiste funktsioonidega.

Soojuse kogunemine ja ebaühtlane jahutamine

Õhukesed osad soojenevad ja jahtuvad palju kiiremini kui suuremahulised piirkonnad. Soojus juhib halvasti ka läbi lahtise pulbri, nii et kõrged õhukesed seinad võivad kohapeal üle kuumeneda. Suured termilised gradiendid põhjustavad plastilist pinget, mis jääb pärast ehitamist.

Jääkpinge, mis vabaneb pärast ehitusplaadi mahalõikamist

Kuigi osa on endiselt paksu alusplaadi külge kinnitatud, on suur osa pingest tasakaalustatud. Kui toed ja alus on eemaldatud, jaotuvad pinged ümber. Õhukesed siseseinad on tavaliselt esimesed omadused, mis liiguvad. Orientatsioon ümbervärvija ja gaasivoolu suhtes, seina kõrguse ja paksuse suhe ning teravad nurgad võimendavad efekti.

Ühte maagilist numbrit pole olemas. Protsessi absoluutsed piirid võivad ideaaltingimustes ulatuda 0,3–0,4 mm-ni, kuid tootmiskindlad seinad on paksemad. Geomeetria, kõrgus, orientatsioon ja sulam on kõik olulised. Järgmised vahemikud kajastavad praktilist minimaalset seinapaksust metallist 3D-printimisel, mida kasutavad kogenud teenusepakkujad:

Sama oluline on kõrguse ja paksuse suhe. Kõrge, toetamata 0,6 mm sein on palju tõenäolisem, kui sama paksusega lühike sein. Need arvud moodustavad metallilisandite tootmise õhukese seina disainijuhiste praktilise aluse.

Suurendage paksust ohutu väärtuseni või lisage kohalikke ribisid
Liikumine absoluutselt miinimumilt soovitatavale disainimiinimum suurendab jäikust dramaatiliselt. Kui kaal või vool on kriitilise tähtsusega, töötavad lühikesed sisemised ribid või võre sageli paremini kui kogu seina paksenemine.

Asenda teravad nurgad helde fileega
Teravad nurgad toimivad pinge koondajatena ja painde alguspunktidena. Sujuvad üleminekud vähendavad kohalikke jääkpinge piike.

Vältige suuri lamedaid ühe paksusega tasapindu
Asendage need laineliste, lohkudega või võrega jäigastatud pindadega. Lisatud geomeetriline jäikus talub tasapinnaväliseid moonutusi, vähendades samal ajal sageli massi.

Kontrolli paksuse üleminekuid
Järsud hüpped paksult õhukeseks loovad erineva jahutuse ja pingekontsentratsiooni. Kasutage järkjärgulisi segusid.

Optimeerige osade orientatsiooni
Võimaluse korral vältige õhukeste seinte ehitamist kõrgete, eraldiseisvate vertikaalsete elementidena. Kerge kallutamine võib parandada soojuse eraldamist ja vähendada hoova hooba jääkpinge hetkedel.

Need viis muudatust käsitlevad otseselt õhukese seina rikke geomeetriast tingitud põhjuseid ja aitavad vältida õhukese seina moonutusi metallist 3D-printimisel projekteerimisetapis.

Nutikad tugistruktuurid õhukeste seinte jaoks

Toed teevad rohkem kui hoiavad osa üleval. Hästi läbimõeldud toed toimivad ehitamise ajal jahutusradiaatoritena ja mehaaniliste piirajatena. Õhukeste siseseinte jaoks kasutage tihedamaid, kuid siiski eemaldatavaid tugesid või ohverdavaid jäikusribisid, mida saab hiljem ära töödelda. Hõredad toed pikkade õhukeste vahede all põhjustavad peaaegu alati probleeme.

Skannimisstrateegia ja parameetrite häälestamine

Saarte või kabelaua skaneerimine, õhukeste piirkondade vähendatud energiatihedus ja optimeeritud luukide vahe aitavad vähendada tippjääkpinget. Mõned süsteemid võimaldavad õhukeste funktsioonide jaoks kohalikke parameetrikomplekte. Ehitusplaadi eelsoojendamine vähendab termilisi gradiente veelgi.

Stressi leevendamise kuumtöötlus enne plaadilt eemaldamist

See on üks suurima finantsvõimendusega samme. Metallist 3D-prinditud osade pingevaba kuumtöötluse läbiviimine, kui komponent on veel alusplaadi külge kinnitatud, võimaldab pingetel lõõgastuda ilma moonutusteta. Tüüpilised temperatuurid sõltuvad sulamist (umbes 650 kraadi 316 liitri puhul; madalamad AlSi10Mg puhul, et kaitsta peent mikrostruktuuri). Alles pärast stressi leevendamist tuleks osa lahti lõigata. Kogenud kauplused käsitlevad seda järjestust kriitiliste õhukeseseinaliste geomeetriate puhul mittekaubeldavana. Pädev metallist 3D-printimise tootja nõuab seda.

Klient vajas AlSi10Mg soojusvaheti südamikku vaid 0,7–0,9 mm paksuste siseribidega ja keerukate jahutuskanalitega. Esimesed prototüübid näitasid pärast toe eemaldamist selget uime kummardumist – mõõdetud kõrvalekalle ulatus kriitilistel uimedel 0,4–0,6 mm-ni. Kanalid ei olnud enam suletud ja virna üldine kõrgus ületas tolerantsi.

Muudetud lähenemisviis kombineeris konstruktsiooni ja protsessi muudatusi: lokaalne paksenemine 1,0–1,1 mm-ni kõige kriitilisematel ribidel, lühikesed jäikusribid, suured fileed ristmikel, optimeeritud orientatsioon kõrgete vertikaalsete õhukeste seinte vähendamiseks, tihedam tugi uimede massiivi all ja kontrollitud pinge vähendamise tsükkel, mis teostatakse ehitusplaadil enne eraldamist.

Tulemus: mõõdetud uimede kõrvalekalle langes alla 0,15 mm, esimese läbisõidu saagis tõusis ligikaudu 40% pealt üle 90% ja tootmisgraafik taastus ilma täieliku ümberkujundamiseta. Sama jada ulatus puhtalt prototüübist väikese partii tootmiseni.

Kui õhukese seina täpsus on kriitiline, hinnake potentsiaalseid partnereid järgmistes punktides:

Tõestatud kogemus sarnase õhukese seina või sisekanali geomeetriaga samas sulamis.

Ettevõttesisene või rangelt kontrollitud kuumtöötlusvõime (minimaalne stressi leevendamine).

Valmisolek anda enne esimest koostamist selget tagasisidet lisandite loomise kohta.

Metroloogia võime (CMM või optiline skaneerimine; CT, kui sisekanalid on keerulised).

Prototüübilt stabiilsete väikeste partiide või hulgimüügis olevatele 3D-prinditud metallist osadele üleminekut ilma korduvate moonutusteta.

Võimekas kohandatud metallist 3D-printimise tehas käsitleb jääk-stressi juhtimist protsessi osana, mitte järelmõtlemisena. Samuti saavad nad pakkuda keerukate osade jaoks metallist 3D-printimise teenust, mis sisaldab vajalikku järeltöötluse järjestust.

Kombineerides mõistlikud seinapaksuse valikud, paindumiskindel geomeetria, intelligentsed toed ja skannimisstrateegiad ning pinge leevendamine, kui detail on endiselt piiratud, saate metallist 3D-printimisel usaldusväärselt vältida õhukese seina moonutusi. Tulemuseks on osad, mis sobivad esimest korda, suurem saagikus ja lühem üldine teostusaeg.