Existuje významný rozdiel v presnosti 3D tlače medzi rôznymi kovovými materiálmi?

1. Vlastnosti materiálu: fyzikálne a chemické vlastnosti, ktoré ovplyvňujú možnosť presnosti
Presnosť 3D tlače s kovovými materiálmi je väčšinou spôsobená súhrou medzi termodynamickým správaním materiálu počas procesu tavenia a tuhnutia a riadením procesu. Zmeny vlastností nasledujúcich štyroch bežných materiálov priamo ovplyvňujú presnosť ich výtlačkov:
Zliatina titánu (ako TC4/Ti-6Al-4V)
Zliatiny titánu sú pevné, ľahké a odolné voči hrdzi, no dajú sa presne tlačiť len z dvoch hlavných dôvodov:
Vysoká miera tepelného zmrštenia: TC4 má koeficient lineárnej rozťažnosti 8,6 × 10 ⁻⁶/stupeň, čo znamená, že pri rýchlom ochladení môže ľahko spôsobiť zvyškové napätie, čo môže spôsobiť deformáciu dielov a zmenu tvaru. Ak napríklad nepoužijete izostatické lisovanie za horúca (HIP) po vytlačení formy na čepeľ leteckého motora, rozmery sa môžu líšiť až o ± 0,3 mm. Po spracovaní HIP sa môžu rozmery odchýliť až o ± 0,05 mm.
Nízka miera absorpcie lasera: Zliatina titánu môže odrážať až 60 % laserového svetla, takže potrebuje vysokú hustotu energie (zvyčajne > 100 W/mm²), aby sa rovnomerne roztavila. Príliš veľa energie však môže spôsobiť špliechanie a zmeniť drsnosť povrchu. Zmenou techniky skenovania (napríklad pomocou šachovnicového skenovania) môžete znížiť drsnosť povrchu z Ra25 μm na Ra10 μm.
Jedným z príkladov je nehrdzavejúca oceľ 316L.
Nerezová oceľ má veľké procesné okno a nie je veľmi citlivá na tepelné trhliny, vďaka čomu je lepšia na tlač:
Stabilný široký bazén taveniny: 316 l sa topí pri 1375 stupňoch a stabilný bazén taveniny možno vyrobiť s výkonom lasera 50 až 200 W a rozmerovou presnosťou ± 0,05 mm. Spoločnosť vyrábajúca zdravotnícke pomôcky použila technológiu SLM na tlač kostných platničiek s toleranciou apertúry ± 0,02 mm, čo spĺňalo požiadavky na zostavenie ortopedických implantátov.
Jednotnosť v organizácii: Vďaka austenitickému charakteru 316L je menej pravdepodobné, že sa oddelí počas procesu tlače. Pri použití s ​​ošetrením tuhým roztokom (izolácia pri 1050 stupňoch počas 1 hodiny a kalenie vodou) je možné opraviť chyby medzivrstvového spojenia, čo zvyšuje únavovú životnosť o 30%.
Zliatina hliníka, napríklad AlSi10Mg
Najväčším problémom pri tlači hliníkovej zliatiny je, že má vysokú tepelnú vodivosť a je náchylná na praskanie, keď sa zahreje.
Trhliny vznikajú, keď sa niečo rýchlo ochladí: AlSi10Mg má tepelnú vodivosť 150 W/(m · K) a tavenina sa môže ochladzovať rýchlosťou 10 ⁶ stupňov/s, čo uľahčuje vytváranie horúcich lomov na hraniciach zŕn. Pridaním 0,5 % Sc prvku môže byť veľkosť zrna menšia ako 1 μm, čo znižuje rýchlosť praskania z 15 % na 0,5 %.
Vplyv povrchového oxidového filmu: Hliníkový povrch pravdepodobne vytvára hrubý oxidový film (Al ₂ O3), ktorý spôsobuje, že prášok zle tečie a znamená, že tlač musí byť vykonaná s vákuovou ochranou inertným plynom. Po zlepšení systému cirkulácie plynu sa drsnosť povrchu nového držiaka batérie energetického vozidla zmenila z Ra50 μm na Ra15 μm.
niklové-vysokoteplotné-zliatiny, ako napríklad Inconel 718
Výzvou vysokoteplotných{0}}zliatín je kontrola mikroštruktúry pri veľmi vysokých teplotách:
Tendencia rastu stĺpcových kryštálov: Počas tlače má Inconel 718 tendenciu vytvárať stĺpcové kryštály, ktoré sa vyvíjajú v smere konštrukcie. To robí materiál anizotropným. Zmenou rýchlosti skenovania (600–1000 mm/s) a hrúbky vrstvy (30–50 μm) sa môže veľkosť zrna zmeniť z 500 μm na 100 μm, čím sa pevnosť v ťahu zvýši o 15 %.
Citlivosť na mikrotrhlinky: Fáza (Ni ∝ (Al, Ti)) pri rýchlom ochladzovaní pravdepodobne vytvára nerovnomerné usadeniny, ktoré môžu spôsobiť mikrotrhliny. Viac ako 90 % mikrotrhlín možno odstrániť použitím stupňovitého tepelného spracovania (720 stupňová izolácia počas 8 hodín, po ktorej nasleduje vzduchové chladenie a 620 stupňová izolácia počas 8 hodín).
2. Adaptabilita procesu: Výber cesty pre presnú implementáciu
Presnosť kovovej 3D tlače závisí od materiálu a od toho, ako dobre zodpovedá typu procesu. Nasledujúce štyri bežné procesy majú celkom odlišné úrovne presnosti:
Výhoda presnosti laserového selektívneho tavenia (SLM): Priemer laserového bodu SLM môže byť malý až 50 μm, hrúbka vrstvy môže byť medzi 20 a 60 μm, rozmerová presnosť môže byť až ± 0,05 mm a drsnosť povrchu Ra môže byť až 10 μm. Jedna letecká spoločnosť použila SLM na tlač lopatiek turbíny, pričom sa ubezpečila, že tolerancia profilu lopatiek je v rozmedzí ± 0,03 mm, čo je to, čo letecké motory potrebujú, aby sa dali poskladať.
Materiálové obmedzenia: Aby materiály s vysokou odrazivosťou (ako meď) absorbovali viac, musíte použiť zelený laser (532 nm) alebo modrý laser (450 nm). Náklady na zariadenie sa však zvyšujú o 30 až 50 %.
Tavenie elektrónovým lúčom (EBM) Vlastnosti presnosti: EBM pracuje vo vákuu s vysokou hustotou energie v elektrónovom lúči (až 10 ⁴ W/mm ²), vďaka čomu je vhodný na tlač materiálov s vysokými bodmi topenia, vrátane zliatin titánu. Istý výrobca ortopedických implantátov použil EBM na potlač jamiek bedrového kĺbu. Drsnosť povrchu bola Ra menšia alebo rovná 8 μm, nebola tam žiadna vrstva oxidu a misky boli biokompatibilnejšie ako tie, ktoré boli vyrobené tradičnými metódami.
Kontrola tepelného namáhania: EBM dokáže zahriať diely na 700 stupňov Celzia, čo môže znížiť zvyškové napätie a deformáciu o 80 %.
Smerované nanášanie energie (DED) má priemer dýzy 0,8 až 2 mm, hrúbku vrstvy 0,5 až 2 mm, rozmerovú presnosť ± 0,5 mm a drsnosť povrchu Ra20 až 100 μm. Istá spoločnosť vyrábajúca letecké motory použila DED na opravu kotúča turbíny. Opravná vrstva a podklad sú navzájom spojené s metalurgickou pevnosťou 400 MPa, čo zodpovedá prevádzkovým požiadavkám.
Výhoda účinnosti: DED má rýchlosť sedimentácie 200 cm³/h, čo je viac ako 10-násobok rýchlosti SLM. Vďaka tomu je vhodný na fixáciu alebo predtvarovanie veľkých kusov.
Lepidlo v spreji (BJ)
Potenciál presnosti: BJ má rozmerovú presnosť ± 0,1 mm a drsnosť povrchu Ra20-60 μm. Po úprave je však potrebné ho odmastiť (400-600 stupňov) a spekať (1200-1300 stupňov), čo spôsobí jeho zmrštenie o 15 % až 20 %. Istá automobilka používa vložky do foriem s potlačou BJ a po ich dokončení zostáva veľkosť stabilná v rozmedzí ± 0,05 mm, čo je potrebné pre hromadnú výrobu.
Cenová výhoda: Jeden kus BJ stojí o 60 % až 70 % menej ako SLM, vďaka čomu je vhodný pre situácie, kde je potrebná stredná presnosť a veľký rozsah.
3. Typický príklad: Praktická aplikácia overenia nezrovnalostí v presnosti
Čepele z titánovej zliatiny pre letecké motory Tlač pomocou SLM
Jedna letecká spoločnosť použila technológiu SLM na výrobu čepelí z titánovej zliatiny TC4. Zlepšením techník skenovania (ako je špirálové skenovanie) a nosných štruktúr (ako je mriežková podpora) sa tolerancia profilu čepele zmenila z ± 0,1 mm na ± 0,03 mm a drsnosť povrchu sa zvýšila z Ra25 μm na Ra8 μm. Vďaka tomu bol motor o 2 % efektívnejší.
Nerezová oceľ 316L sa používa na implantáciu zdravotníckych pomôcok. SLM tlač
Ortopedická spoločnosť použila SLM na tlač kostných dosiek z nehrdzavejúcej ocele 316L. Tolerancia apertúry bola nastavená na ± 0,02 mm a po elektrolytickom leštení drsnosť povrchu Ra < 0,8 μm spĺňala medicínsky štandard ISO 13485, čím sa skrátil čas potrebný na integráciu kosti o 30 %.
Batéria pre nové energetické vozidlo: AlSi10Mg Vytlačené pomocou SLM
Nová spoločnosť vyrábajúca energetické vozidlá využíva SLM tlačené držiaky na batérie na zmenu veľkosti zrna pridaním 0,5% Sc prvku, ktorý znižuje rýchlosť lomu za tepla z 15% na 0,5%. Pevnosť konzoly sa zvýši o 25 % a jej hmotnosť sa zníži o 30 %, keď sa tepelne-spracuje pomocou T6 (530 stupňové starnutie v tuhom roztoku + 170 stupňov).