Размерът на частиците на металния прах влияе ли върху качеството на печат на формите?

一, Начинът, по който размерът на частиците влияе върху качеството на печат: синергичен ефект по повече от един начин
1. Прахът се разнася равномерно: Плътността на слоя прах се базира на размера на частиците.
Първата стъпка в металния 3D печат е разпределението на праха и това колко равномерно е то има пряко влияние върху първоначалното качество на формата. Частиците прах, които са малки (под 15 μm), са склонни да се слепват, защото имат много повърхностна енергия. Това може да причини кухини или бучки в слоя прах. От друга страна, ако частиците са твърде големи (повече от 53 μm), те могат да текат добре, но ограничават минималната дебелина на слоя, което затруднява създаването на фини елементи като тънко-стенни структури. Например, когато се използва прах от неръждаема стомана 316L с размер на частици от 15 до 45 μm в SLM процеса, дебелината на праховия слой може да се поддържа между 30 и 50 μm, а плътността на праховия слой може да достигне 99,2%. Но тъй като размерът на частиците надхвърля този диапазон, порьозността се повишава много.
Разумното разпределение на размерите на частиците е също толкова важно. Използването на бимодално разпределение (смесване на груби и фини частици) спомага за подобряване на плътността на опаковката на праха. Фините частици запълват пространствата между грубите частици, което увеличава плътността на насипното опаковане с 10% до 15%. Това намалява вътрешните дефекти във формата. Чрез подобряване на съотношението на размера на частиците на праха Ti6Al4V (D50=35 μ m, D90=50 μ m), специфична авиационна компания увеличи плътността на формите за турбинни лопатки от 98,5% на 99,7% и издръжливостта на умора с 20%.
2. Стабилност на басейна: баланс между размера на частиците и абсорбцията на енергия, който се променя с времето
Разтопеният басейн е основната част, в която се топи метален прах, и неговата стабилност зависи от това колко добре прахът абсорбира енергията на лазерния/електронния лъч. малките частици имат голяма специфична повърхност и бърза скорост на абсорбиране на топлина. Въпреки това праховете, които са твърде малки (като<10 μ m) can splash because to thermal stress concentration, which can cause porosity or incomplete fusing flaws. To thoroughly melt coarse particles, you need more energy, and not enough energy can make the layers stick together poorly. For instance, when printing with AlSi10Mg aluminum alloy, powders with a particle size of 20–50 μ m may make a stable melt pool at a laser power of 200W. However, when the particle size is>60 μm, степента на частични дефекти на сливане достига до 15%.
Неравномерното разпределение на размера на частиците може също да причини неравенства в топлопроводимостта в определени области, което може да допринесе за концентрация на остатъчно напрежение. Проучване установи, че използването на прах Inconel 718 с широко разпределение на размера на частиците (10–100 μm) за печатащи форми увеличава остатъчното напрежение с 30% в сравнение с ограничено разпределение (20–50 μm). Това прави риска от деформация на деформация много по-висок.
3. Качество и точност на повърхността: директен контрол на размера на частиците върху грапавостта
Грапавостта на повърхността на матрицата е добър начин да разберете колко добре върви печатът, тъй като тя е право пропорционална на размера на прахообразните частици. Колкото по-малки са частиците, толкова по-гладка е повърхността. Въпреки това, ако прахът е твърде фин, той не тече добре и може да причини неравномерно разнасяне на праха, което прави повърхността по-груба. Например, ако използвате форми за прахов печат 316L с D50 от 25 μm, можете да поддържате грапавостта на повърхността Ra в рамките на 8 μm. Но ако използвате прах с D50 от 15 μm, стойността на Ra ще бъде над 15 μm, защото частиците се слепват.
Когато избирате размера на частиците за сложни структурни форми (като конформни охлаждащи канали), трябва да намерите компромис между точност и лекота на използване. Една компания, която произвежда форми за автомобили, успя да направи точни форми с минимален отвор от 0,5 mm, като използва мартензитно състарена стомана на прах с размер на частиците 30–60 μm. Те също така се увериха, че грапавостта Ra на вътрешната стена на водния път е по-малка или равна на 10 μm.
2, Адаптиране на размера на частиците на общи процеси: различни нужди за SLM и EBM
1. SLM процес: комбинация от малък размер на частиците и висока точност
Техниката SLM използва лазер като източник на енергия, а диаметърът на концентрираното петно ​​обикновено е между 50 и 100 μm. Така че трябва да изберете фин-зърнест прах (15–53 μm), който съответства на размера на петното. Фините частици могат бързо да абсорбират лазерна енергия и да създадат хомогенна стопилка, но количеството кислород трябва да се поддържа под 150 ppm, за да се избегнат оксидни включвания. Например, когато се правят форми за ортопедични импланти от титаниева сплав, прахът TC4 с размер на частиците 20–45 μm и ниво на кислород 80 ppm може да отговори на високите -стандарти за точност на толерантност на отвора ± 0,02 mm и грапавост на повърхността Ra < 5 μm.
2. EBM процес: намерете компромис между голям размер на частиците и висока ефективност.
Методът EBM използва електронен лъч като източник на енергия. Неговите свойства на разпределение на енергийната плътност са по-добри за топене на груби частици (53–150 μm). Грубите частици могат да намалят броя на прахообразните слоеве, да направят печата по-бързо и да намалят остатъчното напрежение. Когато определена компания за авиационни двигатели използва EBM, за да направи форми за дискови дискове от високотемпературни сплави на базата на никел-, тя избира прах с частици с размер от 60 до 105 μm. Деформацията на деформацията се поддържа до 0,1 мм при температура на предварително загряване от 700 градуса, а скоростта на печат е три пъти по-бърза от SLM.
3. Процес на LENS: съвпадение на размера на частиците и стабилността на подаването на праха
Техниката LENS (Laser Near Clean Forming) използва коаксиален подход за подаване на прах. За да се гарантира, че подаването на прах е стабилно, трябва да се избере груб прах с размер на частиците от 105 до 180 μm. Грубите частици могат да предпазят тръбата за подаване на прах от запушване, но скоростта на сканиране (600–1000 mm/s) трябва да бъде настроена на правилното ниво, за да се избегнат грешки при непълно сливане. Специфична компания за ремонт на форми използва технология LENS за фиксиране на-форми за леене под налягане, използвайки прах от стомана H13 с частици с размер 120–150 μm. С лазерна мощност от 1000 W и скорост на сканиране от 800 mm/s, беше установено, че металургичната якост на свързване между ремонтния слой и субстрата е най-малко 400 MPa.
3, Стратегия за оптимизиране на размера на частиците: пълен контрол на процеса от подготовката до последващата-третиране
1. Приготвяне на прах: избор между аерозолизация и PREP технология
Газовото разпръскване (GA) сега е най-често срещаният начин за производство на прах, тъй като е евтин и работи добре. Често обаче прави сателитен прах (малки частици, които полепват по повърхността на по-големите частици) и кух прах, което понижава качеството на печата. Процесът на пулверизиране с плазмен въртящ се електрод (PREP) може да направи високо-качествени прахове със сферичност над 98% и съдържание на сателитен прах по-малко от 0,5% чрез топене на метал с високо-скоростни въртящи се електроди. Оборудването обаче е скъпо. Висококачествен-производител на форми е подобрил живота на умора на прах 316L, произведен с помощта на PREP процеса, от 100 000 цикъла на 500 000 цикъла.
2. Пресяване по размер на частиците: дву-етапно пресяване и оптимизиране на градацията
Дву{0}}етапното пресяване (като 30 μm и 53 μm сита) може да се използва за получаване на прах с тясно разпределение на размера на частиците. Това спира неравномерното разпръскване на праха, което се случва, когато груби и малки частици се смесят заедно. Чрез комбиниране на прахове с различни размери на частиците можете да подобрите сортирането чрез увеличаване на насипната плътност. Смесването на 20% от 10–20 μm фин прах с 80% от 30–50 μm груб прах, например, може да повиши насипната плътност от 4,2 g/cm³ до 4,8 g/cm³.
3. След обработка: горещо изостатично пресоване и полиране на повърхността
Горещото изостатично пресоване (HIP) може да запълни дупките във формите и да повиши плътността до повече от 99,9%. Според проучване, якостта на умора на формите Ti6Al4V, които са третирани с HIP, е с 40% по-висока от тази на формите, които не са третирани. Полирането на повърхността може да я направи още по-гладка. Например технологията за електролитно полиране може да намали грапавостта на повърхността на матрицата от Ra10 μm до Ra0,2 μm, което е достатъчно добро за оптични форми от висок клас и други приложения.