Vaikuttaako metallijauheen hiukkaskoko muottien tulostuslaatuun?

一, Tapa, jolla hiukkaskoko vaikuttaa tulostuslaatuun: synergistinen vaikutus useammalla kuin yhdellä tavalla
1. Jauhe levitetään tasaisesti: Jauhekerroksen tiheys perustuu hiukkasten kokoon.
Ensimmäinen askel metallin 3D-tulostuksessa on jauheen jakautuminen, ja sen tasaisuus vaikuttaa suoraan muotin alkuperäiseen laatuun. Pienet (alle 15 μm) jauhehiukkaset tarttuvat toisiinsa, koska niillä on paljon pintaenergiaa. Tämä voi aiheuttaa jauhekerrokseen aukkoja tai kokkareita. Toisaalta, jos hiukkaset ovat liian suuria (yli 53 μm), ne voivat virrata hyvin, mutta rajoittavat kerroksen vähimmäispaksuutta, mikä vaikeuttaa hienojen piirteiden, kuten ohutseinäisten rakenteiden, luomista. Esimerkiksi käytettäessä SLM-prosessissa 316L ruostumatonta teräsjauhetta, jonka hiukkasten koko on 15-45 μm, jauhekerroksen paksuus voidaan pitää välillä 30-50 μm ja jauhekerroksen tiheys voi olla 99,2 %. Mutta kun hiukkaskoko ylittää tämän alueen, huokoisuus kasvaa paljon.
Partikkelikokojen jakauman järkevyys on yhtä tärkeää. Bimodaalisen jakauman käyttö (karkeiden ja hienojen hiukkasten sekoittaminen) auttaa parantamaan jauheen pakkaustiheyttä. Hienot hiukkaset täyttävät karkeiden hiukkasten väliset tilat, mikä lisää irtonaista pakkaustiheyttä 10–15 %. Tämä vähentää muotin sisäisiä vikoja. Parantamalla Ti6Al4V-jauheen hiukkaskokosuhdetta (D50=35 μm, D90=50 μm) tietty lentoyhtiö lisäsi turbiinin siipien muottien tiheyttä 98,5 %:sta 99,7 %:iin ja väsymisikää 20 %.
2. Altaan stabiilisuus: tasapaino hiukkaskoon ja energian absorption välillä, joka muuttuu ajan myötä
Sulaallas on pääosa, jossa metallijauhe sulaa, ja sen stabiilisuus riippuu siitä, kuinka hyvin jauhe absorboi laser-/elektronisäteen energiaa. pienillä hiukkasilla on suuri ominaispinta-ala ja nopea lämmön absorptionopeus. Kuitenkin jauheet, jotka ovat liian pieniä (esim<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, osittaisten fuusiovikojen määrä nousee 15 %:iin.
Epätasainen hiukkaskokojakauma voi myös aiheuttaa epätasa-arvoa lämmönjohtamisessa tietyillä alueilla, mikä voi myötävaikuttaa jäännösjännityksen keskittymiseen. Tutkimuksessa havaittiin, että Inconel 718 -jauheen käyttäminen laajalla hiukkaskokojakautumalla (10–100 μm) muottien painamiseen lisää jäännösjännitystä 30 % verrattuna rajoitettuun jakautumiseen (20–50 μm). Tämä lisää vääntymisen riskiä huomattavasti.
3. Pinnan laatu ja tarkkuus: hiukkaskoon suora hallinta karheuden perusteella
Muotin pinnan karheus on hyvä tapa kertoa kuinka hyvin painatus sujuu, koska se on suoraan verrannollinen jauhehiukkasten kokoon. Mitä pienempiä hiukkasia, sitä tasaisempi pinta. Jos jauhe on kuitenkin liian hienoa, se ei valu kunnolla ja saattaa aiheuttaa jauheen epätasaista leviämistä, mikä tekee pinnasta karheamman. Jos käytät esimerkiksi 316L jauhepainomuotteja, joiden D50 on 25 μm, voit pitää pinnan karheuden Ra 8 μm:n sisällä. Mutta jos käytät jauhetta, jonka D50 on 15 μm, Ra-arvo on yli 15 μm, koska hiukkaset tarttuvat toisiinsa.
Kun valitset hiukkasten kokoa monimutkaisia ​​rakennemuotteja varten (kuten konformiset jäähdytyskanavat), sinun on löydettävä kompromissi tarkkuuden ja helppokäyttöisyyden välillä. Eräs autojen muotteja valmistava yritys pystyi tekemään tarkkoja muotoja, joiden aukko on vähintään 0,5 mm, käyttämällä martensiittisen vanhennettua teräsjauhetta, jonka hiukkaskoko on 30–60 μm. He varmistivat myös, että vesiväylän sisäseinän karheus Ra oli pienempi tai yhtä suuri kuin 10 μm.
2, Yleisten prosessien hiukkaskoon mukauttaminen: erilaiset tarpeet SLM:lle ja EBM:lle
1. SLM-prosessi: pienen hiukkaskoon ja suuren tarkkuuden yhdistelmä
SLM-tekniikassa energialähteenä käytetään laseria, ja keskittyneen pisteen halkaisija on yleensä 50-100 μm. Joten sinun on valittava hienojakoinen-jauhe (15–53 μm), joka vastaa pisteen kokoa. Hienot hiukkaset voivat nopeasti imeä laserenergiaa ja muodostaa homogeenisen sulatusaltaan, mutta hapen määrä on pidettävä alle 150 ppm:ssä oksidisulkeutumien välttämiseksi. Esimerkiksi titaaniseoksesta valmistettujen ortopedisten implanttien muotteja valmistettaessa TC4-jauhe, jonka hiukkaskoko on 20–45 μm ja happipitoisuus 80 ppm, voi täyttää korkeat -tarkkuusstandardit, jotka koskevat aukon toleranssia ± 0,02 mm ja pinnan karheutta Ra < 5 μm.
2. EBM-prosessi: löydä kompromissi suuren hiukkaskoon ja korkean hyötysuhteen välillä.
EBM-menetelmä käyttää elektronisuihkua energialähteenä. Sen energiatiheyden jakautumisominaisuudet sopivat paremmin karkeiden hiukkasten (53–150 μm) sulattamiseen. Karkeat hiukkaset voivat vähentää jauhekerrosten määrää, nopeuttaa tulostusta ja vähentää jäännösjännitystä. Kun tietty lentokoneyritys käyttää EBM:ää nikkeli-pohjaisten korkean lämpötilan-seosturbiinilevymuottien valmistukseen, se valitsee jauheen, jossa on 60–105 μm:n hiukkasia. Vääntymisen muodonmuutos pidetään 0,1 mm:n sisällä 700 asteen esilämmityslämpötilassa, ja tulostusnopeus on kolme kertaa nopeampi kuin SLM.
3. LENS-prosessi: vastaa hiukkasten kokoa ja jauheen syöttämisen vakautta
LENS (Laser Near Clean Forming) -tekniikka käyttää koaksiaalista jauheen syöttötapaa. Sen varmistamiseksi, että jauheen syöttö on vakaa, on valittava karkea jauhe, jonka hiukkaskoko on 105–180 μm. Karkeat hiukkaset voivat auttaa estämään jauheen syöttöputken tukkeutumisen, mutta skannausnopeus (600–1000 mm/s) on asetettava oikealle tasolle epätäydellisten fuusiovikojen välttämiseksi. Eräs muottikorjausyritys käytti LENS-tekniikkaa painevalumuottien kiinnittämiseen ja käytti H13-teräsjauhetta, jonka hiukkaset olivat kooltaan 120–150 μm. Laserteholla 1000 W ja pyyhkäisynopeudella 800 mm/s korjauskerroksen ja alustan välisen metallurgisen sidoslujuuden havaittiin olevan vähintään 400 MPa.
3, Hiukkaskoon optimointistrategia: prosessin täydellinen hallinta valmistelusta jälkikäsittelyyn{1}}
1. Jauheen valmistus: valinta aerosolisoinnin ja PREP-tekniikan välillä
Kaasusumutus (GA) on nykyään yleisin tapa valmistaa jauhetta, koska se on halpaa ja toimii hyvin. Se tekee kuitenkin usein satelliittijauhetta (pieniä hiukkasia, jotka tarttuvat suurempien hiukkasten pintaan) ja onttoja jauhetta, mikä heikentää tulostuksen laatua. Plasmapyörivän elektrodin sumutusprosessilla (PREP) voidaan valmistaa korkealaatuisia-jauheita, joiden palloisuus on yli 98 % ja satelliittijauhepitoisuus alle 0,5 % sulattamalla metallia nopealla{5}} pyörivillä elektrodeilla. Laitteet ovat kuitenkin kalliita. Huippu-muottivalmistaja on pidentänyt PREP-prosessilla valmistetun 316 litran jauheen väsymisikää 100 000 syklistä 500 000 jaksoon.
2. Seulonta hiukkaskoon mukaan: kaksi-vaiheinen seulonta ja porrastuksen optimointi
Kaksi-vaiheista seulontaa (kuten 30 μm ja 53 μm seuloja) voidaan käyttää jauheen saamiseksi, jolla on kapea hiukkaskokojakautuma. Tämä estää jauheen epätasaisen leviämisen, joka tapahtuu, kun karkeita ja pieniä hiukkasia sekoitetaan keskenään. Yhdistelemällä eri hiukkaskokoisia jauheita voit parantaa luokittelua lisäämällä irtotiheyttä. Esimerkiksi 20 % 10–20 μm:n hienojauheen sekoittaminen 80 %:iin 30–50 μm karkeaa jauhetta voi nostaa irtotiheyden 4,2 g/cm³:sta 4,8 g/cm³:iin.
3. Käsittelyn jälkeen: kuumaisostaattinen puristus ja pinnan kiillotus
Kuumaisostaattinen puristus (HIP) voi täyttää muottien reiät ja nostaa tiheyden yli 99,9 %:iin. Tutkimuksen mukaan HIP:llä käsiteltyjen Ti6Al4V-muottien väsymislujuus on 40 % suurempi kuin käsittelemättömien muottien. Pinnan kiillotus voi tehdä siitä vielä tasaisemman. Esimerkiksi elektrolyyttinen kiillotustekniikka voi alentaa muotin pinnan karheutta Ra10 μm:stä Ra0,2 μm:iin, mikä on tarpeeksi hyvä huippuluokan optisiin muotteihin ja muihin käyttötarkoituksiin.