Чи вплине подальша-обробка на точність розмірів металевих 3D-друкованих деталей?

一, зв’язок між методами пост-обробки та точними розмірами
Існує три основні типи подальшої-обробки для 3D-друку металу: механічна обробка, термічна обробка та обробка поверхні. Способи, як різні методи впливають на точність розмірів, дуже відрізняються.

1. Механічна обробка: двосічний-меч для підвищення точності
Найпростіший спосіб виправити невідповідності розмірів — це механічна обробка, наприклад фрезерування з ЧПУ, шліфування та електроерозійна обробка. Наприклад, після друку конкретного диска турбіни авіаційного двигуна фрезерування з п’яти{1}}осьовим з’єднанням зменшило похибку круглості з 0,1 мм до 0,02 мм і покращило шорсткість поверхні Ra з 6,3 мкм до 1,6 мкм. Однак, щоб підвищити точність обробки, ви повинні мати можливість дуже ретельно контролювати продуктивність обладнання та параметри процесу. Наприклад, якщо глибина різання занадто велика або швидкість подачі занадто висока, деталі можуть термічно деформуватися. Якщо знос інструменту не замінити вчасно, це може спричинити помилки обробки. Наприклад, одна компанія вчасно не змінила шліфувальний круг, через що на поверхні партії деталей з титанового сплаву з'явилися брижі. Ставка брухту в підсумку склала 15%.

2. Термічна обробка: боротьба між зняттям стресу та зміною розміру
Термічна обробка, яка включає відпал, загартування та обробку розчином, змінює мікроструктуру матеріалу, щоб позбутися залишкової напруги. Однак це також може вплинути на розмір матеріалу. Наприклад, після обробки твердим розчином і старінням середній термін руйнування високотемпературного сплаву IN718-при 650 градусах збільшився до 173 годин. Однак швидкість усадки у вертикальному розмірі становила 0,3%, а швидкість усадки в горизонтальному розмірі становила 0,15%. Цю нерівномірну усадку необхідно регулювати або проектною компенсацією (наприклад, залишаючи запас обробки 0,5 мм), або оптимізацією процесу (наприклад, градуйоване гартування). Підприємство, яке виготовляє медичні імплантати, покращило параметри процесу термічної обробки таким чином, що розмір 3D-друкованого протеза з пористого титанового сплаву змінюється лише на ± 0,05 мм, що відповідає клінічним стандартам точності імплантату.

3. Обробка поверхні: пошук балансу між зміною розміру мікро та макро.
Метою обробки поверхні (наприклад, піскоструминної обробки, полірування або хімічного полірування) є покращення поверхні, але вона також може змінити розмір на кілька мікрометрів. Наприклад, компанія, яка виробляє автомобільні запчастини, використовує хімічне полірування для 3D-друку гільз із водяним{2}}охолодженням із алюмінієвого сплаву. Це робить поверхню менш шорсткою, починаючи з 12 мкм до 0,8 мкм, але це також робить діаметр внутрішньої порожнини меншим на 0,02 мм, оскільки матеріал розчиняється. Компанія використовує комбінований процес «механічне полірування+хімічне полірування», щоб збалансувати якість поверхні та точність розмірів. Спочатку механічне полірування усуває великі дефекти, а потім хімічне полірування модифікує поверхню на нанорівні. Це зберігає допуск на розміри в межах ± 0,01 мм.

2, Контроль параметрів процесу: найважливіша частина забезпечення точності
Щоб переконатися, що розміри правильні, ви повинні мати можливість точно контролювати параметри процедури -після обробки. Електрохімічна обробка (ECM) може досягти суб{2}}мікронної точності шляхом розчинення матеріалів шар за шаром за допомогою електрохімічних процесів. Однак такі параметри, як зазор між електродами, концентрація електроліту та частота імпульсів, повинні бути точно узгоджені:

Зазор між електродами: Занадто малий зазор може легко спричинити коротке замикання, а надто великий зазор може знизити ефективність обробки. Стежачи за електродним проміжком у режимі реального часу (регульованим на рівні 10–50 мкм), певна компанія підвищила точність обробки 3D-друкованих лопатей турбіни зі сплаву на основі нікелю-до ± 0,005 мм.
Концентрація електроліту: якщо концентрація занадто висока, це може прискорити розчинення матеріалів, що може спричинити зміни розміру. Якщо концентрація занадто низька, це може призвести до нерівномірної обробки. Дослідницька група вдосконалила формулу електроліту (зберігаючи концентрацію NaCl між 15% і 20%), щоб шорсткість поверхні надрукованих на 3D-принтерах компонентів титанового сплаву збільшилася з 3,2 мкм до 0,4 мкм, зберігаючи при цьому зміни розміру в межах ± 0,01 мм.
Частота імпульсів: високочастотні-імпульси можуть зменшити вплив тепла обробки, але вони також можуть створювати вібрацію. З іншого боку, низькочастотні-імпульси роблять обробку менш ефективною. Певна компанія використовує частоту імпульсів 10 кГц для обробки виробів з нержавіючої сталі, надрукованих 3D. Це забезпечує ефективність виробництва та точність розмірів з похибкою ± 0,008 мм.
3. Розробіть стратегію винагороди: «-орієнтована» домовленість для точного контролю
На етапі проектування потрібно відкласти певну суму грошей, щоб компенсувати вплив пост{0}}обробки на розмір. Наприклад, процес проектування певної частини літака виглядає так:

Початковий проект: використовуйте модель CAD, щоб визначити геометричну форму деталі та визначити важливі допуски на розміри (наприклад, ± 0,05 мм).
Моделювання процесу: використовуйте аналіз кінцевих елементів (FEA), щоб змоделювати розподіл напруги та розмірну усадку, що відбувається під час термообробки. Ви повинні очікувати вертикальної усадки 0,3% і горизонтальної усадки 0,15%.
Проектна компенсація: збільште припуск на обробку на 0,5 мм для важливих розмірів і допуск контуру на 0,05 мм для кутових місць (від 0,02 мм до 0,05 мм).
Перевірка після обробки: після механічної обробки різниця між фактичним розміром деталі та проектним розміром зберігається в межах ± 0,01 мм, а показник проходження досягає 98%.
Крім того, коли мова йде про конструкцію внутрішньої порожнини, вам потрібно подумати про швидкість видалення матеріалу та суму компенсації. Внутрішній діаметр надрукованої на 3D-принтері оболонки з водяним-охолодженням, наприклад, має становити 20 мм із допуском на обробку 0,1 мм. Після піскоструминної обробки (зі швидкістю видалення матеріалу 0,02 мм/час) і механічного полірування (зі швидкістю видалення матеріалу 0,05 мм/час) остаточний внутрішній діаметр стабілізується на рівні 20,03 мм, що і потрібно для динаміки рідин.

4, Практика промисловості: типовий випадок точного контролю
Одна компанія в аерокосмічній промисловості виготовляє сопла для ракетних двигунів за технологією «друк SLM + гаряче ізостатичне пресування (HIP) + обробка з ЧПК». Обробка HIP позбавляє внутрішніх пор (зменшує пористість з 5% до 0,1%), а потім обробка з ЧПК контролює точність діаметра горловини сопла в межах ± 0,005 мм, щоб задовольнити потреби ущільнення в умовах високого-тиску та-температури.
У галузі медицини ортопедична компанія створила протез кульшового суглоба з титанового сплаву, надрукований на 3D-вимірі. Шорсткість поверхні зменшили до 0,2 мкм і зняли внутрішню напругу методом «обробка відпалом + хімічне полірування». Варіація розміру зберігалася в межах ± 0,02 мм, що значно знизило небезпеку бактеріальної адгезії та проблем після операції.
В автомобільній промисловості одна компанія виготовляє нові охолоджувальні пластини акумулятора транспортних засобів, використовуючи технологію «3D-друк рукава водяного охолодження + електрохімічна обробка». Електрохімічна обробка зменшує шорсткість поверхні внутрішньої порожнини з 6,3 мкм до 0,4 мкм, зберігаючи допуск на розміри на рівні ± 0,01 мм. Це робить охолодження на 15% ефективнішим.