Onko 3D-tulostuksen tarkkuudessa merkittäviä eroja eri metallimateriaalien välillä?

1. Materiaalin ominaisuudet: fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet, jotka vaikuttavat tarkkuuden mahdollisuuteen
Metallimateriaalien 3D-tulostuksen tarkkuus johtuu pääasiassa materiaalin sulamis- ja jähmettymisprosessin aikaisen termodynaamisen käyttäytymisen ja prosessinhallinnan välisestä vuorovaikutuksesta. Muutokset seuraavien neljän yleisen materiaalin ominaisuuksissa vaikuttavat suoraan niiden tulosteiden tarkkuuteen:
Titaaniseos (kuten TC4/Ti-6Al-4V)
Titaaniseokset ovat vahvoja, kevyitä ja ruosteenkestäviä, mutta ne voidaan tulostaa tarkasti vain kahdesta syystä:
Suuri lämpökutistumisnopeus: TC4:n lineaarinen laajenemiskerroin on 8,6 × 10⁻⁶/aste, mikä tarkoittaa, että se voi helposti aiheuttaa jäännösjännitystä, kun se jäähtyy nopeasti, mikä voi aiheuttaa osien vääntymistä ja muodonmuutosta. Jos esimerkiksi et käytä kuumaisostaattista puristusta (HIP) lentokoneen moottorin terän muotin painamisen jälkeen, mitat voivat poiketa jopa ± 0,3 mm. HIP-käsittelyn jälkeen mitat voivat poiketa jopa ± 0,05 mm.
Matala laserin absorptionopeus: Titaaniseos voi heijastaa jopa 60 % laservalosta, joten se tarvitsee korkean energiatiheyden (tyypillisesti > 100 W/mm²) sulaakseen tasaisesti. Liiallinen energia voi kuitenkin aiheuttaa roiskeita ja muuttaa pinnan karheutta. Voit alentaa pinnan karheutta arvosta Ra25 μm arvoon Ra10 μm muuttamalla skannaustekniikkaa (kuten käyttämällä shakkilautaskannausta).
316L ruostumaton teräs on yksi esimerkki.
Ruostumattomalla teräksellä on suuri prosessiikkuna, eikä se ole kovin herkkä lämpöhalkeamille, mikä tekee siitä paremman tulostuksen:
Vakaa leveä sulateallas: 316L sulaa 1375 asteessa, ja tasainen sulatusallas voidaan tehdä laserteholla 50-200W ja mittatarkkuudella ± 0,05 mm. Lääketieteellisiä laitteita valmistava yritys käytti SLM-teknologiaa painamaan luulevyjä, joiden aukkotoleranssi oli ± 0,02 mm, jotka täyttivät ortopedisten implanttien kokoamisen vaatimukset.
Organisaation yhtenäisyys: 316L:n austeniittisen luonteen vuoksi se ei irtoa tulostusprosessin aikana. Käytettäessä kiinteäliuoskäsittelyä (eristys 1050 asteessa 1 tunnin ajan ja vesisammuttaminen) voidaan korjata kerrosten väliset liimausvirheet, mikä lisää väsymisikää 30 %.
Alumiiniseos, kuten AlSi10Mg
Suurin ongelma alumiiniseoksen painamisessa on, että sillä on korkea lämmönjohtavuus ja se on altis halkeilulle kuumeneessaan.
Halkeamia syntyy, kun jokin jäähtyy nopeasti: AlSi10Mg:n lämmönjohtavuus on 150 W/(m · K), ja sulateallas voi jäähtyä nopeudella 10 ⁶ astetta/s, mikä helpottaa kuumien rakeiden muodostumista raerajoille. 0,5 % Sc-elementin lisääminen voi tehdä raekoon pienemmäksi kuin 1 μm, mikä alentaa halkeamisnopeutta 15 %:sta 0,5 %:iin.
Pintaoksidikalvon vaikutus: Alumiinipinta muodostaa todennäköisesti paksun oksidikalvon (Al ₂ O3), mikä saa jauheen valumaan huonosti ja painatus on tehtävä inerttikaasusuojauksella. Kaasunkiertojärjestelmän parantamisen jälkeen uuden energiaajoneuvon akun kannattimen pinnan karheus muuttui Ra50 μm:stä Ra15 μm:iin.
Nikkeli{0}}pohjaiset korkean lämpötilan-seokset, kuten Inconel 718
Korkean lämpötilan{0}}metalliseosten haaste on mikrorakenteen hallinta erittäin korkeissa lämpötiloissa:
Pylväskiteiden kasvutaipumus: Tulostuksen aikana Inconel 718 pyrkii muodostamaan pylväsmäisiä kiteitä, jotka kehittyvät rakennussuunnassa. Tämä tekee materiaalista anisotrooppisen. Pyyhkäisynopeuden (600–1000 mm/s) ja kerrospaksuuden (30–50 μm) muuttaminen voi saada raekoon 500 μm:stä 100 μm:iin, jolloin vetolujuus kasvaa 15 %.
Herkkyys mikrohalkeamille: 'faasi (Ni ∝ (Al, Ti)) muodostaa todennäköisesti epätasaisia ​​kerrostumia, kun se jäähtyy nopeasti, mikä voi aiheuttaa mikrohalkeamia. Yli 90 % mikrohalkeamista voidaan poistaa käyttämällä asteittaista lämpökäsittelyä (720 asteen eristys 8 tuntia, sen jälkeen ilmajäähdytys ja 620 asteen eristys 8 tuntia).
2. Prosessin sopeutettavuus: Polun valitseminen tarkkaan toteutukseen
Metallin 3D-tulostuksen tarkkuus riippuu sekä materiaalista että siitä, kuinka hyvin prosessityyppi sopii yhteen. Seuraavilla neljällä yleisellä prosessilla on melko erilaiset tarkkuustasot:
Laser Selective Melting (SLM) -tarkkuusetu: SLM:n laserpistehalkaisija voi olla niinkin pieni kuin 50 μm, kerrospaksuus voi olla 20–60 μm, mittatarkkuus voi olla jopa ± 0,05 mm ja pinnan karheus Ra voi olla jopa 10 μm. Eräs ilmailuyhtiö käytti SLM:ää turbiinien siipien tulostamiseen ja varmisti, että siipien profiilin toleranssi oli ± 0,03 mm:n sisällä, mikä on se, mitä lentomoottoreiden on voitava koota.
Materiaalirajoitukset: Jotta materiaalit, joilla on korkea heijastavuus (kuten kupari) imevät enemmän, sinun on käytettävä vihreää laseria (532 nm) tai sinistä laseria (450 nm). Laitteiden hinta nousee kuitenkin 30–50 prosenttia.
Elektronisuihkusulatus (EBM) Tarkkuusominaisuudet: EBM toimii tyhjiössä, jossa elektronisäteen energiatiheys on suuri (jopa 10 ⁴ W/mm ²), mikä tekee siitä hyvän korkean sulamispisteen, mukaan lukien titaaniseosten, painamiseen. Eräs ortopedisten implanttien valmistaja käytti EBM:ää lonkkanivelkuppien tulostamiseen. Pinnan karheus oli Ra Alle tai yhtä suuri kuin 8 μm, oksidikerrosta ei ollut ja kupit olivat biologisesti yhteensopivampia kuin perinteisillä menetelmillä tehdyt.
Lämpöjännityksen hallinta: EBM voi lämmittää osia 700 celsiusasteeseen, mikä voi vähentää jäännösjännitystä ja vääntymistä 80 %.
Suunnatun energiapinnoituksen (DED) suuttimen halkaisija on 0,8 - 2 mm, kerrospaksuus 0,5 - 2 mm, mittatarkkuus ± 0,5 mm ja pinnan karheus Ra20 - 100 μm. Eräs lentokoneyhtiö käytti DED:tä turbiinilevyn korjaamiseen. Korjauskerros ja alusta liimataan yhteen metallurgisella lujuudella 400 MPa, mikä täyttää huoltovaatimukset.
Tehokkuuden etu: DED:n sedimentaationopeus on 200 cm³/h, mikä on yli 10 kertaa SLM:n sedimentaationopeus. Tämä tekee siitä hyvän isojen kappaleiden kiinnittämiseen tai esimuotoiluun.
Spray Adhesive (BJ)
Tarkkuuspotentiaali: BJ:n mittatarkkuus on ± 0,1 mm ja pinnan karheus Ra20-60 μm. Se on kuitenkin poistettava rasvasta (400-600 astetta) ja sintrattava (1200-1300 astetta) käsittelyn jälkeen, jolloin se kutistuu 15-20%. Tietty autoliike käyttää BJ-painettuja muottilevyjä, joiden valmistuksen jälkeen koko pysyy vakaana ± 0,05 mm:n sisällä, mitä tarvitaan massavalmistukseen.
Kustannusetu: BJ:n yksittäiskappale maksaa 60–70 % vähemmän kuin SLM, mikä tekee siitä hyvän tilanteisiin, joissa tarvitaan keskikokoista tarkkuutta ja suurta mittakaavaa.
3. Tyypillinen esimerkki: Tarkkuuserojen käytännön sovellustarkastus
Titaaniseoksesta valmistetut terät lentokoneiden moottoreille Tulostus SLM:llä
Yksi lentoyhtiö käytti SLM-tekniikkaa TC4-titaaniseoksesta valmistettujen terien valmistukseen. Skannaustekniikoita (kuten spiraaliskannausta) ja tukirakenteita (kuten ristikkotuki) parantamalla teräprofiilin toleranssi nousi ± 0,1 mm:stä ± 0,03 mm:iin ja pinnan karheus Ra25 μm:stä Ra8 μm:iin. Tämä teki moottorista 2 % tehokkaamman.
316L ruostumatonta terästä käytetään lääketieteellisten laitteiden istuttamiseen. SLM-tulostus
Ortopedinen yritys käytti SLM:ää 316L ruostumattomasta teräksestä valmistettujen luulevyjen painamiseen. Aukon toleranssiksi asetettiin ± 0,02 mm, ja elektrolyyttisen kiillotuksen jälkeen pinnan karheus Ra < 0,8 μm täytti ISO 13485 lääketieteellisen standardin, mikä lyhensi luun integroitumiseen kuluvaa aikaa 30 %.
Akkupaketti uuteen energia-ajoneuvoon: AlSi10Mg Painettu SLM:llä
Uusi energiaajoneuvoyritys käyttää SLM-painettuja akkukiinnikkeitä muuttaakseen raekokoa lisäämällä 0,5 % Sc-elementtiä, mikä alentaa kuumamurtumisastetta 15 %:sta 0,5 %:iin. Kiinnikkeen lujuus kasvaa 25 % ja paino laskee 30 %, kun se lämpökäsitellään T6:lla (530 asteen kiinteä liuos + 170 astetta vanheneminen).