Які труднощі виникають у контролі похибок розмірів металевих форм для 3D-друку?

1. Невідповідність розмірів через усадку матеріалу та термічну напругу
Під час процесу 3D-друку металеві матеріали переходять у тверду-рідину-тверду фазу. Коефіцієнт теплового розширення та швидкість усадки є основними параметрами, які впливають на точність розмірів. Наприклад, використовуючи матеріали, які часто використовуються:

Нержавіюча сталь (наприклад, 316L): швидкість усадки при охолодженні становить приблизно 4%. Якщо на етапі моделювання не виконати зворотну корекцію, форма довжиною 100 мм може стиснутися до 96 мм, що виходить за межі допустимого діапазону ± 0,1 мм.
Титанові сплави (наприклад, Ti-6Al-4V) дають усадку приблизно на 2%, але термічна напруга накопичується швидше, що може легко спричинити викривлення, особливо в будівлях із тонкими стінами або консольними опорами.
Прорив складності: щоб знайти фактичну швидкість усадки, вам потрібно використовувати інструменти зворотного проектування, такі як Geomagic Control X. Вам також потрібно використовувати формулу «компенсований розмір=проектний розмір ÷ (1-швидкість усадки)» під час етапу моделювання. Наприклад, прес-форми з нержавіючої сталі повинні бути на 4,2% більші (100 мм → 104,2 мм), а форми з титанових сплавів мають бути на 2,04% більші (100 мм → 102,04 мм). Технологія спрямованої компенсації також може впоратися зі складними сценаріями, коли швидкість усадки по осі Z на 10% вища, ніж по осі XY у процедурах SLM.

2. Покращення параметрів процесу: методика балансування щільності енергії та товщини шару
Щоб металевий 3D-друк був точним, такі характеристики, як потужність лазера, швидкість сканування та товщина шару, повинні контролюватися узгоджено. Будь-яка зміна параметра може спричинити проблеми з розмірами.

Недостатня щільність енергії: якщо потужність лазера занадто низька або швидкість сканування занадто висока, порошок не розплавиться повністю, що створює дефекти неповного злиття. Це послаблює зв’язок між шарами та робить розмір об’єкта менш стабільним.
Висока щільність енергії: якщо потужність лазера змінюється більш ніж на 5%, розплавлена ​​купа сильно розбризкується, а рідкий метал перетворюється на круглі частинки на нерозплавленому порошку. Це робить поверхню нерівною та змінює розмір.
Вибір товщини шарів: товщина шару 0,1 мм може зробити речі більш ефективними, але візерунки чіткі, а шорсткість Ra перевищує 5 мкм. Товщина шару 0,03-0,05 мм може зробити шорсткість Ra<3 μ m, but it will take more than three times longer to print.
Приклад: авіаційна компанія використовувала технологію SLM для друку лопатей турбіни. Вони використовували ортогональні експерименти, щоб знайти найкращу комбінацію параметрів: потужність лазера 300 Вт, швидкість сканування 1200 мм/с, товщина шару 0,05 мм і поперечний шлях сканування (сусідні шари сканувалися вздовж осі X/Y). Допуск на розміри ефективно керувався в межах ± 0,05 мм, що відповідає аерокосмічним стандартам.

3. Точність обладнання: від калібрування обладнання до контролю руху
Фізичною основою контролю розміру є точність обладнання. Щоб досягти цього, три сфери повинні співпрацювати над вдосконаленням: механічна структура, система руху та датчики.

Рівність платформи: якщо платформа для друку нерівна, шари можуть бути не однакової товщини, через що розміри можуть бути «товстими з одного боку та тонкими з іншого». Щоб переконатися, що різниця показань між п’ятьма точками (чотири кути плюс центр) на платформі менше або дорівнює 0,05 мм, вам потрібен циферблатний індикатор із точністю до 0,01 мм.
Між ходовим гвинтом і направляючою рейкою є простір: якщо відстань завелика, друкуюча головка переміститься занадто далеко. Якщо ви скажете йому рухатися на 10 мм, воно дійсно переміститься на 10,02 мм. Щоб знайти помилку відстані між отворами, вам потрібно надрукувати плоску пластину з багатьма маленькими отворами (діаметром 5 мм і на відстані 20 мм) і використати інструмент для вимірювання координат. Тоді ви можете вирішити проблему, використовуючи «електронне передавальне число» програмного забезпечення пристрою.
Калібрування діаметра лазерної плями: якщо ви неправильно встановите діаметр плями (наприклад, якщо він дійсно дорівнює 0,1 мм, але програма каже, що це 0,08 мм), у вас може виникнути «перегорання» або «недогорання». Надрукуйте пряму лінію довжиною 10 мм, потім виміряйте фактичну ширину та порівняйте її з тим, що говорить програма. Потрібно виправити помилку, якщо вона більше 0,02 мм.
4. Конструкція несучої конструкції: пошук правильного балансу між міцністю та легкістю демонтажу
Опорна конструкція — це не просто «каркас», який утримує модель від зміни форми, вона також може бути причиною помилок розміру:

Забагато простору між опорами: якщо простір між опорами на підвішених частинах (наприклад, 5-міліметрова консоль) перевищує 3 мм, виріб може звисати під час друку, що спричинить зміну розміру.
Крутий кут опори: якщо кут між опорою та деталлю менше 45 градусів, зняття опори може легко «потягнути» та змінити форму деталі, особливо якщо вона має тонкі -стінки (товщина<2mm).
Недостатня міцність у нижній частині опори: якщо нижня частина опори не на 50% більша в діаметрі, ніж верхня, деталі можуть легко нахилитися через нерівномірний натяг.
Новий спосіб вирішення проблеми:
Використання методів оптимізації топології для створення легких опорних конструкцій, які є міцними, але потребують менше матеріалів; потрібні складні інструменти, такі як ультразвукові ріжучі леза, щоб зняти опори та уникнути викривлення від ударів молотка. Покращивши конструкцію опори, один виробник форм для автомобілів зміг підвищити допуск на розміри тонкостінних-деталей з ± 0,2 мм до ± 0,08 мм.

5. Контроль навколишнього середовища: невидимий вплив температури та вологості
Люди зазвичай не замислюються про те, як умови навколишнього середовища впливають на стабільність розмірів металевого 3D-друку:

Зміни температури: Зміни температури в майстерні більше ніж на 5 градусів (наприклад, 25 градусів вдень і 18 градусів вночі) можуть спричинити розширення та стиснення обладнання, що може призвести до зміни розмірів. Необхідно встановити кондиціонер, який підтримує температуру 22 ± 2 градуси.
Поглинання вологи порошком: якщо вологість металевого порошку перевищує 0,1%, друк створить пори, що зробить розміри нестабільними. Помістіть агломерований порошок у сито 80 меш і висушіть його в духовці при 80 градусах протягом 2 годин.