Чи всі металеві надруковані на 3D-принтері деталі мають проходити пост-обробку?

1. Технічний принцип: «Вроджені дефекти» в адитивному виробництві та спосіб їх усунення в пост{1}}обробці
Основна ідея металевого 3D-друку полягає в «укладанні шар за шаром». Це означає розплавлення металевого порошку за допомогою лазерного або електронного променя, щоб отримати тривимірну-форму. Незважаючи на те, що ця процедура може створювати складні геометричні структури без будь-яких витрат, вона завжди матиме такі технічні проблеми:

Забагато шорсткості на поверхні: сліди затвердіння резервуару розплаву між друкованими шарами створюють «ефект кроку», що робить шорсткість поверхні (значення Ra) вищою, ніж це було б при традиційній обробці. Наприклад, 3D-друковані деталі з титанового сплаву можуть мати шорсткість поверхні Ra 10–20 мкм, тоді як шорсткість поверхні лопатей авіаційних двигунів Ra менше або дорівнює 0,8 мкм.
Створення залишкової напруги: якщо ви швидко нагріваєте та охолоджуєте деталь, це може спричинити напругу розтягування всередині деталі, яка може спричинити її згинання, деформацію або тріщину. Випадкове дослідження проекту авіаційного конструкційного компонента демонструє, що надруковані на 3D-вимірі деталі з титанового сплаву, які не пройшли обробку, можуть зігнутися на 1,2 мм після фрезерування, що набагато більше, ніж проектний допуск.
Дефекти мікроструктури: такі мікродефекти, як пористість і відсутність плавлення в шматках, спричинені способом формування методом порошкової металургії. Дані досліджень показують, що пористість компонентів з алюмінієвих сплавів, виготовлених за допомогою технології SLM, може досягати від 0,5% до 2%, помітно зменшуючи втомний ресурс.
Технологія пост{0}}обробки використовує фізичні, хімічні чи термодинамічні методи для вирішення перелічених проблем певним чином:

Механічна обробка: верстат з ЧПК із п’ятьма- осями може зробити критичні поверхні настільки гладкими, що Ra не перевищує 0,4 мкм.
Термічна обробка - це процес позбавлення від залишкових напруг і поліпшення структури зерна. Відпал і обробка розчином є двома прикладами цього. Наприклад, після термообробки залишкова напруга деталі турбокомпресора в певному автомобілі знижується на 75%, а стабільність розмірів підвищується на 30%.
Гаряче ізостатичне пресування (HIP): стискання пор в умовах високого тиску та температури для отримання щільності матеріалу близько 100%. В аерокосмічній промисловості виявлено, що обробка HIP подвоює або потроює довговічність деталей.
2. Вимоги до якості: перехід від «придатного» до «надійного»
Критерії якості для місць, де використовуватимуться металеві 3D-друковані деталі, безпосередньо пов’язані з потребами після-обробки таких деталей. Пост-обробка стала необхідним кроком у таких ситуаціях:

Поле високої точності: медичні імплантати мають відповідати медичному стандарту ISO 13485, а шорсткість поверхні має бути Ra 0,8 м, щоб бактерії не прилипали до них. Щоб переконатися у відсутності внутрішніх дефектів, лопаті авіадвигуна необхідно перевірити таким чином, щоб не пошкодити їх, наприклад КТ. Пористість повинна бути менше 0,1%.
Середовище динамічного навантаження: такі деталі, як шестерні, вали та інші деталі в автомобілях, повинні витримувати мінливі навантаження. Концентрація залишкової напруги може скоротити термін служби необроблених 3D-друкованих деталей більш ніж на 50%.
Щоб бути стійкими до-корозії, морські інженерні частини мають пройти тест на сольовий туман (наприклад, стандарт ASTM B117). Обробка поверхні, як-от анодування та гальванічне покриття, може створити захисну плівку, яка робить деталі більш ніж у десять разів стійкішими до корозії.
Але не кожна ситуація потребує значної-обробки. Наприклад,

Етап перевірки прототипу: щоб пришвидшити цикл розробки, точна обробка може виключити не-критичні елементи, які використовуються для функціонального тестування. Швидко виготовивши прототипи оболонки, компанія побутової електроніки скоротила час, необхідний для внесення змін у конструкцію, з 6 до 2 тижнів.
Частини, які складають внутрішню частину: якщо вбудовані елементи або поверхні, які не торкаються одна одної, не впливають на загальну продуктивність, оригінальну поверхню можна зберегти. Кронштейн паливного трубопроводу на певних двигунах літака вдосконалено, тому лише 40% площі потребує повторної обробки.
Система для спеціальних матеріалів: завдяки своїй однорідній мікроструктурі 3D-друковані деталі, виготовлені з деяких нових сплавів, включаючи сплави з високою ентропією, можуть одразу відповідати критеріям ефективності. Дослідження показали, що компоненти сплаву CoCrFeNi з певним складом можуть відповідати критеріям зносостійкості без необхідності після-термічної обробки.
3, Вартість і ефективність: «Економічна межа» постобробки
Вибираючи пост{0}}обробку, потрібно знайти баланс між кращою продуктивністю та вищими витратами. Для прикладу розглянемо проект певної частини конструкції літака:

Вартість прямого друку: друк деталей займає 120 годин, а вартість обладнання та порошку становить приблизно 80 000 юанів.
Вартість подальшої -обробки становить 20 000 юанів за термічну обробку, 30 000 юанів за точну обробку з ЧПУ та 10 000 юанів за випробування, загалом 60 000 юанів.
Комплексні переваги: ​​до-обробка підвищила рівень кваліфікації деталей з 65% до 92%, знизила вартість одиниці зі 123 000 юанів до 109 000 юанів і відповідала вимогам сертифікації льотної придатності.
У галузі «економічні межі» пост{0}}обробки залежать від таких речей:

Складність деталей: чим складніша конструкція, тим складніше і дорожче її обробляти. Наприклад, щоб зняти опору з диска турбіни з внутрішнім проточним каналом, розрізання дроту електричним розрядом коштує понад 50 000 юанів за кожен шматок.
Масштаб партії: під час виробництва речей невеликими партіями вартість подальшої-обробки значно розподіляється; Виробляючи речі у великих масштабах, оптимізація процесу може знизити вартість одиниці. Певна автомобільна компанія знизила ціну на один товар зі 150 юанів до 80 юанів за допомогою типових методів пост{4}}обробки.
Надлишковість продуктивності: якщо проект допускає деякі зміни продуктивності, це може скоротити кількість кроків, необхідних після обробки. Наприклад, певне пристосування інструменту скоротило час доставки на 40%, змінивши діапазон допуску та позбувшись кроку термічної обробки.