Чи існує значна різниця в точності 3D-друку різних металевих матеріалів?

1. Властивості матеріалу: фізичні та хімічні характеристики, які впливають на можливість точності
Точність 3D-друку з металевими матеріалами здебільшого зумовлена ​​взаємодією між термодинамічною поведінкою матеріалу під час процесу плавлення та затвердіння та керування процесом. Зміни у властивостях наступних чотирьох поширених матеріалів безпосередньо впливають на точність їхніх відбитків:
Сплав титану (типу TC4/Ti-6Al-4V)
Титанові сплави міцні, легкі та стійкі до іржі, однак на них можна точно друкувати лише з двох основних причин:
Високий коефіцієнт термічної усадки: TC4 має коефіцієнт лінійного розширення 8,6 × 10 ⁻⁶/градус, що означає, що він може легко викликати залишкову напругу, коли він швидко охолоджується, що може призвести до деформації деталей і зміни форми. Наприклад, якщо ви не використовуєте гаряче ізостатичне пресування (HIP) після друку форми для лопаті авіаційного двигуна, розміри можуть відхилятися на ± 0,3 мм. Після обробки HIP розміри можуть бути відхилені лише на ± 0,05 мм.
Низький рівень поглинання лазера: титановий сплав може відбивати до 60% лазерного світла, тому для рівномірного плавлення йому потрібна висока щільність енергії (зазвичай > 100 Вт/мм²). Однак занадто багато енергії може призвести до бризок і змінити шорсткість поверхні. Ви можете зменшити шорсткість поверхні від Ra25 мкм до Ra10 мкм, змінивши техніку сканування (наприклад, сканування в шаховому порядку).
Одним із прикладів є нержавіюча сталь 316L.
Нержавіюча сталь має велике технологічне вікно та не дуже чутлива до теплових тріщин, що робить її кращою для друку:
Стабільна широка купа розплаву: 316L плавиться при 1375 градусах, а стабільну ванну розплаву можна створити за допомогою лазера потужністю від 50 до 200 Вт і точністю розмірів ± 0,05 мм. Компанія, що виробляє медичні прилади, використовувала технологію SLM для друку кісткових пластин з допуском апертури ± 0,02 мм, що відповідало вимогам для складання ортопедичних імплантатів.
Уніфікованість в організації: аустенітність 316L зменшує ймовірність розшарування під час процесу друку. При використанні з обробкою твердим розчином (ізоляція при 1050 градусах протягом 1 години та загартування водою) можна виправити дефекти міжшарового з’єднання, що збільшує термін служби на 30%.
Алюмінієвий сплав, наприклад AlSi10Mg
Найбільша проблема друку алюмінієвого сплаву полягає в тому, що він має високу теплопровідність і схильний до розтріскування, коли стає гарячим.
Тріщини утворюються, коли щось швидко охолоджується: AlSi10Mg має теплопровідність 150 Вт/(м·K), а купа розплаву може охолоджуватися зі швидкістю 10 ⁶ градусів/с, що полегшує утворення гарячих тріщин на границях зерен. Додавання 0,5% елемента Sc може зробити розмір зерна менше 1 мкм, що знижує швидкість розтріскування з 15% до 0,5%.
Вплив поверхневої оксидної плівки: алюмінієва поверхня може утворювати товсту оксидну плівку (Al ₂ O3), через що порошок погано розтікається, і це означає, що друк потрібно виконувати із захистом від вакуумного інертного газу. Після вдосконалення системи циркуляції газу шорсткість поверхні кронштейна акумуляторної батареї нового транспортного засобу змінилася з Ra50 мкм до Ra15 мкм.
Високотемпературні-сплави на основі нікелю, такі як Inconel 718
Проблема високотемпературних сплавів полягає в контролі мікроструктури за дуже високих температур:
Тенденція до зростання стовпчастих кристалів: під час друку Inconel 718 має тенденцію до утворення стовпчастих кристалів, які розвиваються в напрямку конструкції. Це робить матеріал анізотропним. Зміна швидкості сканування (600–1000 мм/с) і товщини шару (30–50 мкм) може призвести до збільшення розміру зерна від 500 мкм до 100 мкм, що підвищує міцність на розрив на 15%.
Чутливість до мікротріщин: Фаза (Ni ∝ (Al, Ti)) може утворювати нерівномірні відкладення, коли вона швидко охолоджується, що може спричинити мікротріщини. Більше 90% мікротріщин можна усунути за допомогою ступінчастої термічної обробки (ізоляція 720 градусів протягом 8 годин, потім охолодження повітрям і ізоляція 620 градусів протягом 8 годин).
2. Адаптивність процесу: Вибір шляху для точної реалізації
Точність металевого 3D-друку залежить як від матеріалу, так і від того, наскільки добре відповідає тип процесу. Наступні чотири поширені процеси мають досить різні рівні точності:
Перевага точності лазерного селективного плавлення (SLM): Діаметр лазерної плями SLM може становити лише 50 мкм, товщина шару може бути від 20 до 60 мкм, точність розмірів може досягати ± 0,05 мм, а шорсткість поверхні Ra може бути лише 10 мкм. Авіаційна компанія використовувала SLM для друку лопатей турбін, переконавшись, що допуск профілю лопатей був у межах ± 0,03 мм, а це те, що потрібно авіаційним двигунам, щоб можна було зібрати разом.
Обмеження щодо матеріалів. Щоб матеріали з високою відбивною здатністю (наприклад, мідь) поглинали більше, потрібно використовувати зелений лазер (532 нм) або синій лазер (450 нм). Однак вартість обладнання зростає на 30-50%.
Особливості точності електронно-променевого плавлення (EBM): EBM працює у вакуумі з великою щільністю енергії в електронному пучку (до 10 ⁴ Вт/мм²), що робить його хорошим для друку матеріалів із високими температурами плавлення, включаючи титанові сплави. Певний виробник ортопедичних імплантатів використовував EBM для друку чашок кульшового суглоба. Шорсткість поверхні Ra менше або дорівнює 8 мкм, не було оксидного шару, і чашки були більш біосумісними, ніж ті, що виготовлені традиційними методами.
Контроль термічної напруги: EBM може нагрівати деталі до 700 градусів Цельсія, що може зменшити залишкову напругу та викривлення на 80%.
Направлене енергетичне осадження (DED) має діаметр сопла від 0,8 до 2 мм, товщину шару від 0,5 до 2 мм, точність розмірів ± 0,5 мм і шорсткість поверхні від Ra20 до 100 мкм. Певна компанія авіаційних двигунів використовувала DED для кріплення диска турбіни. Ремонтний шар і підкладка з’єднані разом із металургійною міцністю 400 МПа, що відповідає вимогам служби.
Перевага ефективності: DED має швидкість осадження 200 см³/год, що більш ніж у 10 разів перевищує швидкість SLM. Це робить його зручним для фіксації або попереднього формування величезних деталей.
Спрей-клей (BJ)
Потенціал точності: BJ має точність розмірів ± 0,1 мм і шорсткість поверхні Ra20-60 мкм. Однак його потрібно знежирити (400-600 градусів) і спекти (1200-1300 градусів) після обробки, що спричиняє його усадку на 15%-20%. Певна автомобільна фірма використовує друковані вставки BJ, і після їх виготовлення розмір залишається стабільним у межах ± 0,05 мм, що є необхідним для масового виробництва.
Цінова перевага: окрема деталь BJ коштує на 60-70% дешевше, ніж SLM, що робить її хорошою для ситуацій, коли потрібна середня точність і великий масштаб.
3. Типовий приклад: перевірка практичного застосування розбіжностей у точності
Леза з титанового сплаву для авіаційних двигунів Друк за допомогою SLM
Одна авіаційна компанія використовувала технологію SLM для виготовлення лопатей із титанового сплаву TC4. Завдяки вдосконаленню методів сканування (наприклад, спіральне сканування) і опорних структур (наприклад, решітчаста опора), допуск профілю лопаті збільшився з ± 0,1 мм до ± 0,03 мм, а шорсткість поверхні зросла з Ra25 мкм до Ra8 мкм. Це зробило двигун на 2% ефективнішим.
Для імплантації медичного обладнання використовується нержавіюча сталь 316L. SLM друк
Ортопедична компанія використовувала SLM для друку кісткових пластин з нержавіючої сталі 316L. Допуск на отвір був встановлений на ± 0,02 мм, і після електролітичного полірування шорсткість поверхні Ra < 0,8 мкм відповідала медичному стандарту ISO 13485, скорочуючи час, необхідний для інтеграції кістки, на 30%.
Акумуляторна батарея для автомобіля з новою енергією: AlSi10Mg Printed with SLM
Нова фірма, що займається виробництвом енергетичних транспортних засобів, використовує друковані кронштейни акумуляторної батареї SLM для зміни розміру зерна шляхом додавання 0,5% елемента Sc, що знижує швидкість гарячого руйнування з 15% до 0,5%. Міцність кронштейна підвищується на 25%, а його вага зменшується на 30%, коли його термічно -обробляють T6 (530 градусів твердого розчину + 170 ступінь старіння).