Kuinka metallin 3D-tulostus voi saavuttaa{1}}muottien korkean tarkkuuden?

一, Tekninen periaate: mikrosulatealtaasta makrotarkkuuteen, tarkka ohjaus
Metallin 3D-tulostuksen pääideana on sulattaa metallijauhetta kerros kerrokselta käyttämällä korkean{1}}energian lämmönlähteitä. Tämä mahdollistaa siirtymisen suoraan digitaalisista malleista oikeisiin osiin. Esimerkiksi laserselektiivisen sulatustekniikan (SLM) prosessissa on neljä päävaihetta:
Jauheen levitys: Kaksisuuntainen kaavinmekanismi levittää metallijauheen tasaisesti työpöydälle. Pinnoitteen paksuutta voidaan säätää erittäin tarkasti, välillä 5-50 μm, mikä muodostaa perustan mikrometri-tason tarkkuudelle.
Laserskannaus: F-teta-linssi fokusoi 200 W:n kuitulaserin korkean-energisen säteen muodostaen pisteen, jonka halkaisija on alle 100 μm. Jauhe sulatetaan ennalta määrättyä polkua pitkin nopeudella 3000 mm/s, ja sulan altaan leveys on noin kaksi tai kolme kertaa täplän halkaisija.
Pinoaminen kerroksittain: Kun jokainen kerros on sulatettu, työpöytä laskee yhden kerroksen korkeudella ja jauhelevityksen sulatusprosessi toistetaan, kunnes saadaan aikaan kolmiulotteinen kiintoainemuodostus kerros kerrokselta pinoamalla.
Hallitse ilmakehää: Pidä muovauskammio täytettynä inertillä kaasulla, jossa on alle 0,1 % happea. Tämä estää metallin hapettumisen ja pitää materiaalin suorituskyvyn vakaana.
Tämä kerros kerrokselta sulatusmenetelmä mahdollistaa monimutkaisten muotojen luomisen muotin sisään, joita on vaikea työstää perinteisillä menetelmillä. Esimerkiksi Platinum BLT-S400 -laitteisto pystyy ohjaamaan piirteen vähimmäiskokoa 100 μm:n tarkkuudella ja alkuperäisen pinnan karheutta Ra 8 μm:n tarkkuudella 400 × 300 × 400 mm³:n muottikoon moni-laser-yhteisskannauksen avulla. Tämä antaa laitteistotuen muottien valmistukseen erittäin suurella tarkkuudella.
2, Neljä päätapaa parantaa tarkkuutta tekniikan avulla
1. Joustava jäähdytyskanava, joka siirtyy tasaisesti jakautuvasta lämmöstä tarkkaan lämpötilan säätöön
Tyypillinen muotin jäähdytysjärjestelmä käyttää suoria reikiä tai poraustekniikoita, ja jäähdytysvesipiirin järjestely on rajallinen. Tämä voi helposti aiheuttaa muotin epätasaisen lämpötilan jakautumisen, mikä voi johtaa ongelmiin, kuten tuotteen muodonmuutokseen ja kutistumiseen. Metalli 3D-tulostustekniikka on rikkonut tämän esteen. Topologian optimointisuunnittelulla muotin sisään voidaan tehdä muotoiltu jäähdytyskanava, joka sopii täydellisesti muotin ontelon muotoon.
Platinum Technology käyttää BLT-18Ni300 muottiterästä ja 3D-tulostusta tehdäkseen jäähdytysvesikanavan halkaisijaltaan 2–3 mm ja vesikanavan etäisyyden 5–8 mm. Näin jäähdytysneste vaikuttaa suoraan korkeisiin lämpötiloihin. Kokeelliset tiedot osoittavat, että parannettu jäähdytysjärjestelmä voi vähentää muotin pintalämpötilan eroa 15-20 astetta tavanomaisissa menetelmissä alle 5 asteeseen, vähentää ruiskupuristusjaksoa 15-30 % ja parantaa tuotteen saantoa yli 10 %.
2. Kevyt rakenne: materiaalin poistamisesta rakenteen parantamiseen
Kun muotteja valmistetaan vanhanaikaisella-tavalla, ylimääräiset materiaalit poistetaan mekaanisella käsittelyllä. Tämä maksaa resursseja ja vaikeuttaa monimutkaisten sisäisten rakenteiden luomista. Topologian optimointimenetelmiä käyttämällä metalli 3D-tulostus voi poistaa tarpeettomia elementtejä tarkasti ja pitää muotin vahvana, mikä johtaa kevyeen muotoiluun.
Esimerkiksi 3D-tulostustekniikan käytön jälkeen muotin tekemiseen auton osalle painoa leikattiin 35 % ja materiaalikustannuksia 28 %. Samaan aikaan kevyt muotoilu tekee muotista vähemmän raskaan, lyhentää muotin vaihtamiseen kuluvaa aikaa 40 % ja lisää huomattavasti tuotannon tehokkuutta. Täyttämällä ei--kantavia-osia ristikkorakenteilla, painoa voidaan vähentää entisestään menettämättä jäykkyyttä. Tämä on uusi tapa tehdä muoteista kevyempiä.
3. Monimutkainen toimintointegraatio: yhdestä rakenteesta useisiin toimintoihin
Metallisessa 3D-tulostuksessa on kerrostettuja valmistusominaisuuksia, jotka mahdollistavat useiden toiminnallisten rakenteiden yhdistämisen muotteihin. Esimerkiksi ruiskumuoteissa ejektorimekanismi, liukusäädin, jäähdytysvesipiiri ja muut osat voidaan yhdistää yhdeksi osaksi kokoamisen helpottamiseksi ja pieleen menemisen vähentämiseksi. Lääketieteellisessä muotiskenaariossa 3D-tulostus teki muotista, joka tarvitsi 12 osaa koota vain kahdeksi osaksi. Tämä lyhensi muotin kokoamiseen kuluvan ajan 8 tunnista 1,5 tuntiin ja piti mittatoleranssin ± 0,02 mm:n sisällä.
4. Innovaatiot materiaaleissa: universaaleista metalliseoksista räätälöityihin materiaaleihin
Metalli-3D-tulostus voi toimia monenlaisten materiaalien kanssa, mukaan lukien ruostumaton teräs, alumiiniseokset, titaaniseokset ja nikkeli{1}}pohjaiset seokset. Se voi myös muuttaa materiaalien ominaisuuksia muuttamalla jauheen koostumusta. Esimerkiksi ilmailuteollisuudessa Inconel 718:lla, nikkeli{5}}pohjaisella metalliseoksella valmistetut muotit voivat pysyä lujina ja kestää korroosiota jopa 650 asteen lämpötiloissa, mikä on mitä tarvitaan erittäin vaikeissa työolosuhteissa. Lääketieteen alalla titaaniseosten huokoisuuden (30–70 % vaihtuva) ja huokoskoon (200–600 μm) hallinta voi auttaa implantteja ja ihmisen luita toimimaan paremmin yhdessä, mikä voi tehdä leikkauksesta onnistuneempaa.
3, Jälkikäsittelytekniikka-: karkeasta muovauksesta täydelliseen tarkkuuteen
Vaikka metallin 3D-tulostuksen alkuperäinen muotoilutarkkuus on mikrometrin tasolla, jälkikäsittelytekniikkaa on vielä lisättävä, jotta se täyttää tiukat standardit muotin pinnan laadulle, mittatarkkuudelle ja muille asioille.
Lämpökäsittely on toimenpide, joka poistaa jäännösjännityksen ja parantaa materiaalien mikrorakennetta. Joitakin esimerkkejä ovat liuoshehkutus ja ikäkäsittely. Esimerkiksi H13-työkaluteräksen kovuus voi nousta 38HRC:stä 52HRC:hen liuoskäsittelyn jälkeen 1050 asteessa ja vanhentamiskäsittelyn jälkeen 620 asteessa. Sen kulutuskestävyys myös paranee paljon.
Pintakäsittely: Pinnan parantamiseksi käytetään hiekkapuhallusta, kiillotusta, galvanointia ja muita menetelmiä. Mekaanisen kiillotuksen avulla tietyn tarkkuusmuottikotelon pinnan karheutta vähennettiin Ra8 μm:stä Ra0,4 μm:iin. Tämä täytti optisten tuotteiden ruiskuvalustandardit.
Tarkkuustyöstö: Tärkeiden kappaleiden CNC-jyrsintä tai EDM-koneistus tiukoilla kokotoleransseilla. Esimerkiksi tietty liitinmuotti valmistetaan sekä 3D-tulostusta että CNC-komposiittivalmistusta käyttäen, ja liitosvälys pidetään 0,005 mm:n sisällä, mikä on maailman korkein taso.