Чи висока вартість термічної обробки для 3D-друку металу?

一 Основна роль термічної обробки в 3D-друкі металу
Металевий 3D-друк створює складні конструкції шляхом плавлення металевого порошку по одному шару за раз, але цей процес має три великі проблеми:
Залишкова напруга: швидке нагрівання та охолодження за допомогою лазера може змінити форму решітки, що може призвести до тріщин або згинання деталей.
Організаційні недоліки: не{0}}нерівноважне затвердіння створює грубі деталі, такі як стовпчасті кристали та дендрити, що робить матеріали менш міцними.
Нерівномірна продуктивність: у міжшарових з’єднаннях можуть легко утворюватися слабкі поверхні розділу, що скорочує термін служби матеріалу.
Ретельно керуючи температурним полем і процесом фазового переходу, термічна обробка може досягти трьох основних цілей:
Зняття напруги: обробка відпалом позбавляє від залишкової напруги та робить розміри більш стабільними.
Організаційна оптимізація: отримання однорідної та тонкої рівновісної кристалічної структури за допомогою використання твердого розчину та старіння.
Покращення продуктивності: контролюйте форму фаз осадження, щоб знайти баланс між міцністю та міцністю.
Наприклад, технологія SLM була використана для виготовлення спеціальної лопаті авіаційного двигуна, яку потім обробляли розчином при 1050 градусах і витримували при 550 градусах. Міцність на розрив збільшилася з 850 МПа до 1200 МПа, а термін служби втоми збільшився втричі.
2. Багатовимірний погляд на розподіл вартості термічної обробки
1. Вартість обладнання: вартість точного контролю
Для термічної обробки металевих 3D-друкованих об’єктів потрібні спеціальні інструменти:
Вакуумна піч запобігає іржавінню активних металів, таких як титанові сплави. Коштує вона в два-три рази дорожче звичайної печі.
Лазерна система термообробки: використовується для зміни поверхні невеликої площі, а вартість обладнання перевищує 5 мільйонів юанів.
Інтелектуальна система управління повинна включати інфрачервоне вимірювання температури, контроль атмосфери та інші модулі. Вартість однієї системи становить понад мільйон юанів.
Певна компанія каже, що амортизація обладнання для термічної обробки становить від 18% до 25% вартості одиниці, і цей відсоток швидко зростає з підвищенням точності обладнання.
2. Вартість енергії: високі температури створюють -чорну діру споживання енергії.
Нормальні параметри процесу термічної обробки:
Обробка розчином: від 4 до 6 годин ізоляції при 1000–1050 градусів
Час обробки: витримувати ізоляцію при 160-180 градусах протягом 8-12 годин.
Відпал для зняття напруги: тримайте при 300–400 градусах протягом 2–4 годин.
Наприклад, для термічної обробки одного шматка Ti6Al4V, виготовленого за допомогою SLM, потрібно 120–150 кВт·год енергії. Вартість електроенергії становить понад 15% при використанні електронагрівальної печі. Якщо ви використовуєте газову опалювальну піч, ви заощадите 40% на витратах електроенергії, але вам доведеться витратити більше на обладнання для очищення вихлопних газів.
3. Вартість матеріалу: гра в ефективність переробки порошку
Термічна обробка може призвести до втрати матеріалу:
Окислювальний опік: коли метал нагрівається до високих температур, на його поверхні виникає окислювальна оболонка. Рівень втрат становить від 0,5% до 1,2%.
Втрата летких речовин: метали з низькою температурою кипіння, наприклад магнієві сплави, випаровуються при високих температурах, втрачаючи більше 2% своєї ваги.
Опорна конструкція: розробка складних частин внутрішнього каналу потоку зі знімними опорами підвищує рівень відходів матеріалу на 5%-8%.
Система переробки порошку може підвищити рівень використання до 92–95%, однак проблему втрати ефективності переробленого порошку все ще потрібно вирішити. Дослідження показало, що після трьох застосувань концентрація кисню в порошку Ti6Al4V зросла на 0,03%, що призвело до зниження міцності компонентів на 12%.
4. Вартість часу: технологічний ланцюжок має вузьке місце ефективності
Типовий цикл термообробки виглядає так:
Перед обробкою: очищення, без опори, піскоструминна обробка (2–4 години)
Нагрівання, ізоляція та охолодження (від 8 до 24 годин) є частиною термічної обробки.
Пост-обробка: розрізання дроту, полірування та тестування (3–6 годин)
Певна фірма з виробництва автомобільних запчастин каже, що процедура термічної обробки становить від 60% до 70% усього циклу виробництва 3D-друку. Це головна причина повільної доставки.
3, Технічний шлях для зниження витрат
1. Змініть спосіб роботи: скоротіть цикл термічної обробки.
У техніці швидкого відпалу використовується нагрівання високої-потужності, щоб скоротити час обробки розчину з 6 до 2 годин.
Процес градуйованого старіння: регулюючи температуру в кілька етапів, загальний час ізоляції скорочується, але при цьому забезпечується хороша продуктивність.
Місцева обробка індукційним нагріванням: нагріваються лише найважливіші частини, що скорочує використання енергії більш ніж на 70%.
Певна авіабудівна компанія використовувала технологію швидкого відпалу, щоб знизити витрати на термічну обробку деталей з Ti6Al4V на 35% і зробити мікроструктуру одноріднішою на 20%.
2. Оновіть обладнання: краще використовуйте енергію
Вакуумна піч для науглерожування низького{0}}тиску: підтримуйте тиск повітря від 10 до 100 Па, щоб використовувати менше газу.
Система рекуперації відпрацьованого тепла: використання відпрацьованого тепла від охолоджувальної води для нагрівання нових частин, що скорочує загальне споживання енергії на 18%.
Розумна система контролю температури: використовує машинне навчання для покращення кривої нагрівання та зменшення потреби в повторній обробці, викликаній змінами температури.
Після того, як певний виробник обладнання почав використовувати інтелектуальну систему управління температурою, рівень кваліфікації термічної обробки зріс з 82% до 95%, а вартість одиниці знизилася на 22%.
3. Покращення матеріалів: створення дешевих систем зі сплавів
Технологія часткового друку: використання алюмінієвого сплаву в частинах, які не повинні витримувати велику вагу, і титанового сплаву в частинах, які повинні, що знижує ціни на матеріали на 40%.
Наномодифікований порошок: додавання 0,5% наночастинок знижує температуру термічної обробки на 50 градусів за Цельсієм і скорочує споживання енергії на 30%.
Використання регенерованого порошку: створіть модель того, як ефективність порошку буде змінюватися з часом, щоб виробництво залишалося стабільним після принаймні п’яти застосувань.
Нержавіючий магнієвий сплав Mg Zn Ca, створений певною дослідницькою групою, працював так само добре, як і алюмінієвий сплав у випробуваннях соляним туманом, і він скоротив витрати на обробку поверхні на 60%.
4. Реінжиніринг процесів: об’єднання виробництва та термічної обробки
Інтегроване обладнання для термообробки друку: модуль індукційного нагріву вбудовано всередину камери друку, щоб забезпечити -відпал на місці.
Технологія цифрового близнюка: використання моделювання для пошуку найкращих параметрів процесу та скорочення витрат на спроби та помилки.
Автоматизована виробнича лінія: поєднання таких модулів, як очищення, термічна обробка та виявлення, для скорочення трудових витрат вдвічі.
Певна компанія побудувала розумну фабрику, яка знизила загальну вартість 3D-друкованих деталей на 42%, змінивши спосіб їх виготовлення. Вартість термообробки знизилася з 25% до 14%.