Які фактори визначатимуть рішення після-обробки для 3D-друку металу?

1. Властивості матеріалу: Основні обмеження для пост{1}}обробки
Склад, мікроструктура та теплофізичні властивості металевих матеріалів для 3D-друку безпосередньо визначають технічну траєкторію та параметри процесу після-обробки.
Властивості складу матеріалу та фазових переходів
Змінні метали мають дуже різні температури фазового переходу, коефіцієнт теплового розширення та чутливість до окислення. Наприклад, титановий сплав (Ti6Al4V) має тенденцію реагувати з киснем, утворюючи крихкий оксидний шар при температурах вище 600 градусів, тому термічну обробку потрібно проводити у вакуумі або середовищі інертного газу. Високотемпературні-сплави на основі нікелю (наприклад, інконель 718) містять багато легуючих елементів і потребують поступового контролю фазової обробки розчином (ізоляція 980–1020 градусів протягом 1 години) та старіння (ізоляція 720 градусів протягом 8 годин), щоб знайти баланс між міцністю та міцністю
Щільність і властивості порошку
На початкову щільність надрукованих виробів впливає розмір частинок, те, наскільки добре вони сиплються, і наскільки чистий порошок. Наприклад, деталі з алюмінієвого сплаву, надруковані сферичним порошком із розміром частинок 15–45 мкм, можуть мати початкову пористість від 3% до 5%. Щоб зробити їх щільнішими за 99,9%, їх потрібно гаряче ізостатичне пресування (HIP) при 1200 градусах і 100 МПа. Деталі, надруковані нанорозмірним порошком, можуть потребувати лише відпалу, щоб позбутися внутрішньої напруги, оскільки вони дуже швидко спікаються.
Контроль, який не є однаковим у всіх напрямках
Те, як металевий 3D-друк накладає шари один на одного, надає йому анізотропних механічних властивостей. Наприклад, міцність на розрив нержавіючої сталі 316L на 10–15% нижча вздовж напрямку друку (вісь Z-), ніж уздовж вертикального напрямку (вісь XY). Термічна обробка, як-от витримка при 750 градусах протягом 2 годин, а потім загартування водою, може допомогти зернам рекристалізуватись, знизити анізотропію до 5% і зробити структурні частини послідовними.
2. Частина функціональних вимог: пост-обробка з метою
План-після обробки має бути зосереджений на тому, як частини будуть використані в кінцевому підсумку, і на основі цього покращити показники ефективності.
Поліпшення механічних характеристик
Потреба у високій міцності: диск турбіни аерокосмічного двигуна повинен витримувати екстремальні температури 1000 градусів і навантаження 1000 МПа. Міцність на розрив повинна бути підвищена до 1200 МПа за допомогою композиційного методу HIP+термічної обробки (після 1220 градусів /150 МПа HIP, 1080 градусів твердого розчину+720 ступінь старіння).
Високі стандарти міцності: ортопедичні імплантати, включно з протезом стегна, мають бути міцними та здатними протистояти зношенню. Відпал (витримування при 700 градусах протягом 4 годин, а потім повільне охолодження) може підвищити коефіцієнт подовження з 15% до 25% і знизити ризик крихкого руйнування.
Краща стійкість до корозії
Деталі з нержавіючої сталі 316L, які використовуються в морській техніці, повинні мати стійкість до корозії від соляних бризок протягом тривалого часу. Час стійкості до соляного туману можна збільшити з 240 годин до 2000 годин за допомогою електрохімічного полірування (що видаляє поверхневий оксидний шар) і анодування (що утворює оксидне покриття товщиною 10 мкм). Це відповідає вимогам стандарту ISO 9227.
Поліпшення якості поверхні
Сектор споживчої електроніки має жорсткі правила щодо того, як мають виглядати деталі. Щоб зробити поверхню менш шорсткою, їх потрібно полірувати в кілька етапів (грубе шліфування → тонке шліфування → дзеркальна полірування) до Ra0,2 мкм або нижче. Одночасно застосовується піскоструминна обробка (частинки глиноземного піску 200 меш) для створення рівномірного матового покриття, яке відповідає стандартам дизайну.
3. Обмеження щодо виробничого процесу: обмеження того, що можна робити після обробки
Специфікації процесу друку та можливості обладнання відразу обмежують можливості для технологій пост{0}}обробки.
Контроль залишкової напруги
Технологія лазерного плавлення шару порошку (LPBF) залишає поза собою залишкові напруги, які можуть досягати 70% межі текучості матеріалу, оскільки він дуже швидко охолоджується. Відпал для зняття напруги (ізоляція при 500–600 градусах протягом 2 годин) має бути виконано одразу після завершення друку. Якщо це не так, деталі можуть деформуватися або тріснути під час різання чи обробки. Технологія електронно-променевого плавлення (EBM) має меншу залишкову напругу, оскільки вона нагріває підкладку до температури понад 600 градусів перед її розплавленням. Це полегшує процес-опрацювання.
Зняття опорної конструкції
Конструкція опори для складних структурних частин, таких як камери згоряння в авіаційних двигунах, потребує пошуку компромісу між стабільністю під час друку та простотою використання після друку. Використання водо{1}}розчинних опорних матеріалів може полегшити їх видалення. З іншого боку, металеві опори необхідно обробити дротом (з точністю ± 0,05 мм) або хімічним травленням (для мікроструктур), щоб уникнути пошкодження поверхні механічним різанням.
Гарантія точності розмірів
Товщина друкованого шару (зазвичай 20–100 мкм) і підхід до сканування (наприклад, шахове сканування) впливають на точність деталей. Для деталей, для яких потрібен допуск ± 0,02 мм на сполучуваній поверхні, після термічної обробки необхідна механічна обробка п’яти-осьового з’єднання (наприклад, фрезерування та шліфування). Однак прості структурні деталі можуть отримати точність поверхні Ra3,2 мкм за допомогою піскоструминної обробки та шліфування.
4. Баланс витрат-вигоди: економічні фактори, про які варто подумати після обробки
Рішення для пост{0}}обробки має знайти найкращий баланс між зниженням витрат і підвищенням продуктивності.
Оптимізація питомих витрат
При виготовленні великої кількості медичних імплантатів лікування HIP може подовжити їх термін служби, але вартість одиниці зростає на 30-50%. Змінюючи налаштування друку (наприклад, підвищення щільності потужності лазера) для зниження початкової пористості, потреби в обробці HIP можна скоротити вдвічі, що економить багато грошей.
Окупність інвестицій в обладнання
Аерокосмічні підприємства змушені витрачати мільйони доларів на обладнання HIP для обробки деталей із високотемпературних-сплавів. Щоб уникнути незадіяних основних засобів, вони можуть співпрацювати з експертними постачальниками послуг пост{2}}обробки та стягувати плату за штуку (вартість обробки за штуку) 500–2000.
Підвищення ефективності циклу
Виготовлення автомобільних форм за технологією «друк+відпал+точна обробка» займає від 7 до 10 днів. Але оптимізувавши процедуру термічної обробки (наприклад, швидко піднявши температуру до 750 градусів і витримавши її протягом години), цикл можна скоротити до 5 днів, що пришвидшує доставку.