Що таке пост{0}}обробка для 3D-друку металу? Чому необхідна пост{2}}обробка?

一 Що таке пост{0}}обробка для 3D-друку металу та які її основні цілі
Пост-обробка 3D-друку металу – це серія кроків, які виконуються на друкованих деталях після завершення виробництва металевих добавок. Ці кроки включають виправлення, оптимізацію та обробку деталей, щоб позбутися виробничих недоліків, покращити показники продуктивності та задовольнити потреби певних застосувань. Його основні цілі можна підсумувати так:

Покращення якості: позбудьтеся таких проблем, як дефекти міжшарового з’єднання та шорсткі поверхні, які роблять деталі менш надійними.
Оптимізація продуктивності: термічна обробка, модифікація поверхні та інші види обробки можуть покращити такі важливі якості матеріалів, як міцність, твердість і стійкість до корозії.
Корекція розмірів: компенсуйте термічну деформацію та усадку, які відбуваються під час друку, щоб переконатися, що деталі задовольняють вимогам проектного допуску.
Функціональна інтеграція: надання деталям більш складних загальних характеристик шляхом зміцнення їх структури або комбінування різних матеріалів.
Наприклад, в аерокосмічній промисловості металевий 3D-друк використовується для виготовлення загального каркаса паливного бака певного типу ракетного двигуна. Потім використовується гаряче ізостатичне пресування (HIP), щоб позбутися будь-яких внутрішніх пор. Після цього використовується фрезерування з ЧПУ для формування ущільнювальної поверхні, а також використовується анодування, щоб зробити її більш стійкою до корозії. Ця серія процедур після обробки робить деталі на 30% міцнішими, на 40% легшими та здатними герметизувати в дуже важких умовах.

2. Основна технологічна система для пост-обробки
У пост-обробці 3D-друку металу є чотири технологічні модулі: видалення матеріалу, термообробка, обробка поверхні та зміцнення конструкції. Кожен модуль є частиною більшого рішення, яке працює в різних ситуаціях.

1. Зняття матеріалу: різьблення з точністю від «чорнової» до «тонкої»
Металеві 3D-друковані предмети часто не можна використовувати відразу, оскільки вони мають залишки опорних структур і шорсткі поверхні (значення Ra можуть досягати 10–20 мкм). Технологія видалення матеріалу використовує механічну обробку, лазерне різання або хімічну корозію, щоб зробити наступне:

Щоб видалити опорну структуру, скористайтеся кріогенним-пілінгом або механічними інструментами для різання, щоб переконатися, що опору повністю видалено без пошкодження надрукованого об’єкта. Наприклад, надрукована частина втулки автомобільного колеса заморожується при низькій температурі, що робить опорну конструкцію крихкою та її легше відшаровувати. Це підвищує ефективність на 50%.
Оздоблення поверхні: фрезерування з ЧПУ, шліфування або полірування може зробити шорсткість поверхні менше Ra0,8 мкм. Для дзеркального полірування поверхні потокового каналу після друку лопатей певного авіаційного двигуна було використано п’яти{2}}осяжний обробний центр. Це зменшило опір потоку повітря на 15%.
Корекція розміру: використовуйте обладнання для вимірювання координат, щоб отримати дані зворотного зв’язку та виправити будь-які зміни розміру, які відбуваються під час друку, за допомогою механічної обробки. Технологія мікрофрезерування зберігає точність розмірів друкованого імплантату медичного пристрою в межах ± 0,01 мм, що є необхідним для хірургічного введення.
2. Термічна обробка: зміна-в управлінні характеристиками мікроструктури
Термічна обробка позбавляє від залишкових напруг, які накопичуються під час друку (до 50% - 70% межі текучості матеріалу), і покращує зернисту структуру матеріалу шляхом регулювання кривої нагріву та охолодження. Деякі поширені методи:

Обробка відпалом: нагрійте частину нижче температури, за якої вона може рекристалізуватися, і підтримуйте її теплою, щоб позбутися внутрішньої напруги та зробити її більш гнучкою. Вакуумний відпал зменшив залишкову напругу на 80% і втричі подовжив термін служби ортопедичного імплантату з титанового сплаву після його друку.
Обробка твердим розчином і старінням: для таких матеріалів, як високотемпературні сплави на-основі нікелю-обробка твердим розчином розчиняє фазу зміцнення, а потім обробка старінням спричиняє утворення дрібних опадів, що значно підвищує-температурну міцність. Після друку диска турбіни для даного авіаційного двигуна твердий розчин і обробка старіння покращили його опір повзучості при 650 градусах на 40%.
Гаряче ізостатичне пресування (HIP) використовує як високу температуру (зазвичай у 0,7–0,9 разів вище температури плавлення матеріалу), так і високий тиск (100–200 МПа), щоб позбутися внутрішніх пор і зробити матеріал щільнішим. Після друку певної частини сателітної структури обробка HIP підвищила щільність з 99,2% до 99,95% і межу втоми на 25%.
3. Обробка поверхні: від «функціоналізації» до «інтелектуалізації» в інженерії поверхні
Змінюючи морфологію поверхні або хімічний склад об’єктів, технологія обробки поверхні надає їм особливі характеристики, зокрема стійкість до корозії, зношування та біосумісність. Деякі поширені технології:

Піскоструминна обробка та полірування: під час піскоструминної обробки використовуються швидко{0}}рухомі частинки піску, які потрапляють на поверхню, роблячи її рівномірною шорсткою (Ra3,2–6,3 мкм) і допомагаючи покриттю краще триматися. Тоді полірування робить поверхню ще більш гладкою, нижче Ra0,4 мкм, щоб задовольнити оптичні потреби чи герметизацію.
Гальванопластика та хімічне покриття — це два способи додати шари металу або сплаву на поверхню предметів, щоб зробити їх більш стійкими до іржі або краще проводити електрику. Обробка нікелюванням зменшила швидкість корозії на 90% у 3,5% розчині NaCl після друку конкретної частини морської техніки.
Лазерне плакування: високо{0}}енергетичний лазерний промінь плавить порошок сплаву та утворює на поверхні виробу покриття товщиною 0,1–5 мм. Це робить його набагато більш стійким до зношування. Лазерне нанесення покриття зі сплаву Stellite 6 підвищило зносостійкість шестерень даної частини гірничого обладнання в п’ять разів після їх друку.
Мікродугове оксидування: плівка оксиду кераміки наноситься на поверхню алюмінієвих і магнієвих сплавів, щоб зробити їх більш стійкими до зношування та корозії. Обробка мікродуговим окисленням збільшила час стійкості до корозії до понад 1000 годин у випробуванні соляним туманом після друку кронштейна для нової батареї транспортного засобу.
4. Зміцнення конструкції: зміна продуктивності з «одного матеріалу» на «композитну структуру»
Додаючи підсилювальні фази або покращуючи маршрути передачі навантаження, технологія структурного підсилення покращує механічну роботу деталей у цілому. Деякі поширені способи:

Армування волокнами: введення вуглецевих або керамічних волокон у металеву матрицю для створення структури композитного матеріалу. Після друку певну частину конструкції літака було зміцнено шляхом додавання короткого різаного вуглецевого волокна, що зробило його на 30% міцнішим за питомою міцністю.
Розробка матеріалів з градієнтами: Ви можете змінювати якість матеріалу, змінюючи порошкову суміш або параметри друку. Надруковані деталі ядерного енергетичного клапана мають градієнтну структуру зі сплаву-нержавіючої сталі на основі нікелю. Це робить їх на 40% більш стійкими до втоми в середовищі термічного-механічного з’єднання.
Проектування решітчастих структур: використання оптимізації топології для створення легких ґратчастих структур, які більш ніж на 50% легші, але водночас міцні. Після друку конкретного сателітного кронштейна він набуває тетраедральну решітку, що робить його вдвічі жорсткішим і на 60% легшим.
3. Необхідність пост{1}}обробки: перехід від «технічної здійсненності» до «технічної надійності»
Необхідність подальшої -обробки в 3D-друкі металу виникає через конфлікт між фундаментальними атрибутами технології адитивного виробництва та суворими вимогами інженерних застосувань. Зокрема, його необхідність вбачається в таких аспектах:

1. Позбавтеся недоліків виробництва та переконайтеся, що продукт працює як слід.
Термічна напруга від швидкого нагрівання та охолодження, пори, які утворюються, коли порошок не з’єднується повністю, і слабке міжшарове з’єднання можуть зробити деталі менш міцними та з більшою ймовірністю зламатися під час процесу металевого 3D-друку. Наприклад, межа втоми високотемпературних-сплавів на основі нікелю без обробки HIP може становити менше ніж 50% від кованих деталей; однак після відпалу для усунення залишкової напруги довговічність кованої частини може перевищувати 80%.

2. Досягніть цілей ефективності та розширте діапазон застосувань
Вимоги до продуктивності деталей значно відрізняються залежно від застосування. В аерокосмічній промисловості деталі повинні добре працювати в середовищах із високими температурами, високим тиском і сильною вібрацією. У галузі медичних пристроїв деталі мають бути біосумісними та стійкими до корозії, що виділяється рідинами організму. Автомобільна промисловість більше стурбована тим, щоб зробити деталі легшими та дешевшими. Технологія пост-обробки дозволяє металевим-надрукованим 3D предметам задовольняти ці особливі потреби, оптимізуючи їх для цих цілей. Наприклад, камера згоряння певного типу авіаційного двигуна все ще може залишатися структурно здоровою при високій температурі 1200 градусів після друку завдяки термічній обробці та обробці покриття. Після друку нестандартного ортопедичного імплантату з титанового сплаву шорсткість поверхні була зменшена до Ra0,2 мкм за допомогою полірування кислотним промиванням, що значно покращило адгезію кісткових клітин.

3. Зробіть економіку більш ефективною та заохочуйте велике використання
Металевий 3D-друк дешевший для створення складних конструкцій, але витрати на сировину (такий порошок титанового сплаву, який коштує кілька сотень юанів за кілограм), амортизація обладнання та споживана енергія все ще досить високі. Технологія пост{2}}обробки знижує загальну вартість життєвого циклу за рахунок кращого використання матеріалів (наприклад, відновлення понад 80% порошку), зниження рівня браку (наприклад, зниження рівня дефектів за допомогою онлайн-виявлення та-коригування в реальному часі) та подовження терміну служби деталей (наприклад, роблячи деталі більш стійкими до корозії за допомогою обробки поверхні). Наприклад, певна виробнича лінія для друку втулок автомобільних коліс скоротила час виготовлення однієї деталі з 8 годин до 2 годин, додавши автоматизовану систему -обробки. Це призвело до загальної економії коштів на 35%.