Чи впливає розмір частинок металевого порошку на якість друку форм?

一, Як розмір частинок впливає на якість друку: синергетичний ефект кількома способами
1. Порошок розподіляється рівномірно: Щільність шару порошку залежить від розміру частинок.
Першим кроком у 3D-друкі металу є розподіл порошку, і те, наскільки воно рівномірне, безпосередньо впливає на початкову якість прес-форми. Малі частинки порошку (менше 15 мкм) мають тенденцію злипатися, оскільки мають велику поверхневу енергію. Це може призвести до утворення пустот або згустків у шарі порошку. З іншого боку, якщо частинки занадто великі (більше 53 мкм), вони можуть добре текти, але обмежують мінімальну товщину шару, що ускладнює створення дрібних елементів, як-от тонкостінних структур. Наприклад, при використанні порошку з нержавіючої сталі 316L із розміром частинок від 15 до 45 мкм у процесі SLM товщина шару порошку може підтримуватися між 30 і 50 мкм, а щільність шару порошку може досягати 99,2%. Але коли розмір частинок перевищує цей діапазон, пористість значно зростає.
Розумність розподілу частинок за розмірами також важлива. Використання бімодального розподілу (змішування грубих і дрібних часток) допомагає покращити щільність упаковки порошку. Дрібні частинки заповнюють простір між грубими частинками, що збільшує щільність пухкої упаковки на 10-15%. Це зменшує внутрішні дефекти форми. Завдяки покращенню співвідношення розмірів частинок порошку Ti6Al4V (D50=35 мкм, D90=50 мкм), конкретна авіаційна компанія збільшила щільність форм для лопатей турбіни з 98,5% до 99,7% і довговічність на 20%.
2. Стабільність пулу: баланс між розміром частинок і поглинанням енергії, який змінюється з часом
Розплавлена ​​ванна є основною частиною, де плавиться металевий порошок, і її стабільність залежить від того, наскільки добре порошок поглинає енергію лазерного/електронного променя. дрібні частинки мають велику питому поверхню і швидку швидкість поглинання тепла. Однак занадто дрібні порошки (як<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 мкм, частота часткових дефектів злиття досягає 15%.
Нерівномірний розподіл частинок за розміром також може спричинити нерівність у теплопровідності в певних областях, що може сприяти концентрації залишкової напруги. Дослідження показало, що використання порошку Inconel 718 із широким розподілом частинок за розміром (10–100 мкм) для друкарських форм збільшує залишкову напругу на 30% порівняно з обмеженим розподілом (20–50 мкм). Це значно підвищує ризик деформації викривлення.
3. Якість поверхні та точність: прямий контроль розміру частинок на шорсткості
Шорсткість поверхні прес-форми є хорошим способом визначити, наскільки добре йде друк, оскільки вона прямо пропорційна розміру частинок порошку. Чим дрібніші частинки, тим гладкіша поверхня. Однак, якщо порошок занадто дрібний, він погано розтікається і може призвести до нерівномірного розподілу порошку, що робить поверхню шорсткішою. Наприклад, якщо ви використовуєте прес-форми для порошкового друку 316L з D50 25 мкм, ви можете підтримувати шорсткість поверхні Ra в межах 8 мкм. Але якщо ви використовуєте порошок із D50 15 мкм, значення Ra перевищуватиме 15 мкм, оскільки частинки злипаються.
При виборі розміру частинок для форм складної конструкції (таких конформних каналів охолодження) необхідно знайти компроміс між точністю і зручністю використання. Одна компанія, яка виробляє прес-форми для автомобілів, змогла створити точні форми з мінімальним отвором 0,5 мм, використовуючи сталевий порошок мартенситного старіння з розміром частинок 30–60 мкм. Вони також переконалися, що шорсткість Ra внутрішньої стінки водного шляху була менше або дорівнює 10 мкм.
2, Адаптація розміру частинок для звичайних процесів: різні потреби для SLM та EBM
1. Процес SLM: поєднання малого розміру частинок і високої точності
Техніка SLM використовує лазер як джерело енергії, а діаметр концентрованої плями зазвичай становить від 50 до 100 мкм. Отже, вам потрібно вибрати дрібно{3}}зернистий порошок (15–53 мкм), який відповідає розміру плями. Дрібні частинки можуть швидко поглинати лазерну енергію та створювати однорідну купу розплаву, але кількість кисню має бути нижче 150 ppm, щоб уникнути включень оксиду. Наприклад, під час виготовлення форм для ортопедичних імплантатів із титанового сплаву порошок TC4 із розміром частинок 20–45 мкм і рівнем кисню 80 ppm може відповідати високим -стандартам точності допуску на отвір ± 0,02 мм і шорсткості поверхні Ra < 5 мкм.
2. Процес EBM: знайдіть компроміс між великим розміром частинок і високою ефективністю.
Метод EBM використовує електронний промінь як джерело енергії. Його властивості розподілу щільності енергії кращі для плавлення грубих частинок (53–150 мкм). Грубі частинки можуть зменшити кількість шарів порошку, пришвидшити друк і знизити залишкову напругу. Коли певна компанія, що займається виробництвом авіаційних двигунів, використовує EBM для виготовлення прес-форм для турбін із високотемпературного-сплаву на основі нікелю, вона вибирає порошок із частинками розміром від 60 до 105 мкм. Деформація викривлення зберігається з точністю до 0,1 мм при температурі попереднього нагріву 700 градусів, а швидкість друку втричі вища, ніж SLM.
3. Процес LENS: відповідність розміру частинок і стабільність подачі порошку
Технологія LENS (Laser Near Clean Forming) використовує коаксіальний підхід до подачі порошку. Щоб забезпечити стабільність подачі порошку, необхідно вибрати грубий порошок із розміром частинок від 105 до 180 мкм. Грубі частинки можуть допомогти уникнути засмічення трубки для подачі порошку, але швидкість сканування (600–1000 мм/с) має бути встановлена ​​на правильному рівні, щоб уникнути неповного зварювання. Спеціальна компанія з ремонту прес-форм застосувала технологію LENS для фіксації форм-лиття під тиском, використовуючи сталевий порошок H13 із частинками розміром 120–150 мкм. При потужності лазера 1000 Вт і швидкості сканування 800 мм/с міцність металургійного зв’язку між ремонтним шаром і підкладкою виявилася принаймні 400 МПа.
3, Стратегія оптимізації розміру частинок: повний контроль процесу від підготовки до подальшої -обробки
1. Приготування порошку: вибір між технологією аерозолювання та PREP
Розпилення газу (GA) зараз є найпоширенішим способом виготовлення порошку, оскільки він дешевий і добре працює. Однак він часто утворює сателітний порошок (дрібні частинки, які прилипають до поверхні більших частинок) і порожнистий порошок, що знижує якість друку. Процес розпилення плазмовим обертовим електродом (PREP) дозволяє отримувати високоякісні-порошки зі сферичністю понад 98% і вмістом сателітного порошку менше 0,5% шляхом плавлення металу за допомогою високо-швидкісних обертових електродів. Однак обладнання дороге. Висококласний-виробник прес-форм покращив довговічність порошку 316L, виготовленого за допомогою процесу PREP, зі 100 000 циклів до 500 000 циклів.
2. Просіювання за розміром частинок: дво-етапне просіювання та оптимізація градації
Дво{0}}ступеневе просіювання (наприклад, сита 30 мкм і 53 мкм) можна використовувати для отримання порошку з вузьким розподілом частинок за розміром. Це запобігає нерівномірному розподілу порошку, який виникає при змішуванні грубих і дрібних частинок. Комбінуючи порошки з різними розмірами частинок, ви можете покращити сортування за рахунок збільшення насипної щільності. Наприклад, змішування 20% дрібнодисперсного порошку 10–20 мкм із 80% грубого порошку 30–50 мкм може збільшити насипну щільність з 4,2 г/см³ до 4,8 г/см³.
3. Після обробки: гаряче ізостатичне пресування та полірування поверхні
Гаряче ізостатичне пресування (HIP) може заповнити отвори у формах і підвищити щільність до понад 99,9%. Згідно з дослідженням, втомна міцність форм Ti6Al4V, оброблених HIP, на 40% вища, ніж у форм, які не були оброблені. Полірування поверхні може зробити її ще більш гладкою. Наприклад, технологія електролітичного полірування може зменшити шорсткість поверхні прес-форми з Ra10 мкм до Ra0,2 мкм, що достатньо для-оптичних форм високого класу та інших цілей.