Има ли значителна разлика в точността на 3D печат между различните метални материали?

1. Свойства на материала: физичните и химичните характеристики, които влияят върху възможността за точност
Прецизността на 3D печата с метални материали се дължи най-вече на взаимодействието между термодинамичното поведение на материала по време на процеса на топене и втвърдяване и управлението на процеса. Промените в свойствата на следните четири често срещани материала пряко влияят върху точността на техните отпечатъци:
Сплав от титан (като TC4/Ti-6Al-4V)
Титановите сплави са здрави, леки и устойчиви на ръжда, но те могат да бъдат отпечатани точно поради две основни причини:
Висока степен на термично свиване: TC4 има коефициент на линейно разширение от 8,6 × 10 ⁻⁶/градус, което означава, че може лесно да причини остатъчно напрежение, когато се охлади бързо, което може да доведе до изкривяване и промяна на формата на частите. Например, ако не използвате горещо изостатично пресоване (HIP) след отпечатване на матрица за лопатка на самолетен двигател, размерите могат да бъдат отклонени с до ± 0,3 mm. След HIP обработка, размерите могат да бъдат отклонени само с ± 0,05 mm.
Ниска степен на лазерно поглъщане: Титановата сплав може да отразява до 60% от лазерната светлина, така че се нуждае от висока енергийна плътност (обикновено > 100 W/mm²), за да се стопи равномерно. Твърде много енергия обаче може да предизвика пръски и да промени грапавостта на повърхността. Можете да намалите грапавостта на повърхността от Ra25 μ m до Ra10 μ m чрез промяна на техниката на сканиране (като използване на шахматно сканиране).
Неръждаема стомана 316L е един пример.
Неръждаемата стомана има голям процесен прозорец и не е много чувствителна към топлинни пукнатини, което я прави по-добра за печат:
Стабилен широк басейн за стопяване: 316L се топи при 1375 градуса, а постоянен резервоар за стопяване може да бъде направен с лазерна мощност от 50 до 200 W и точност на размерите от ± 0,05 mm. Компания, която произвежда медицински изделия, използва SLM технология за отпечатване на костни пластини с толеранс на отвора ± 0,02 mm, което отговаря на изискванията за сглобяване на ортопедични импланти.
Еднаквост в организацията: аустенитната природа на 316L го прави по-малко вероятно да се отдели по време на процеса на печат. Когато се използва с третиране с твърд разтвор (изолация при 1050 градуса за 1 час и закаляване с вода), могат да бъдат коригирани дефекти на междуслойното свързване, което увеличава живота на умора с 30%.
Алуминиева сплав, като AlSi10Mg
Най-големият проблем при печатането на алуминиева сплав е, че тя има висока топлопроводимост и е склонна към напукване, когато се нагрее.
Пукнатини се образуват, когато нещо се охлажда бързо: AlSi10Mg има топлопроводимост от 150 W/(m · K), а басейнът от стопилка може да се охлади със скорост от 10 ⁶ градуса /s, което улеснява образуването на горещи фрактури по границите на зърната. Добавянето на 0,5% Sc елемент може да направи размера на зърното по-малък от 1 μm, което намалява степента на напукване от 15% на 0,5%.
Ефект на повърхностния оксиден филм: Алуминиевата повърхност вероятно ще генерира дебел оксиден филм (Al ₂ O3), което прави праха не течлив добре и означава, че отпечатването трябва да се извърши със защита от вакуумен инертен газ. След подобряване на системата за циркулация на газ, грапавостта на повърхността на конзолата за акумулаторна батерия за нов енергиен автомобил премина от Ra50 μm до Ra15 μm.
Високотемпературни сплави-базирани на никел, като Inconel 718
Предизвикателството на високо{0}}температурните сплави е контролирането на микроструктурата при много високи температури:
Тенденция към растеж на колонни кристали: По време на печат, Inconel 718 има тенденция да генерира колонни кристали, които се развиват в посока на конструкцията. Това прави материала анизотропен. Промяната на скоростта на сканиране (600–1000 mm/s) и дебелината на слоя (30–50 μm) може да доведе до увеличаване на размера на зърното от 500 μm до 100 μm, което води до увеличаване на якостта на опън с 15%.
Чувствителност към микропукнатини: Фазата (Ni ∝ (Al, Ti)) има вероятност да образува неравномерни отлагания, когато се охлади бързо, което може да причини микропукнатини. Повече от 90% от микропукнатините могат да бъдат отстранени чрез използване на степенувана топлинна обработка (720 градуса изолация за 8 часа, последвано от въздушно охлаждане и 620 градуса изолация за 8 часа).
2. Адаптивност на процеса: Избор на път за прецизно изпълнение
Прецизността на металния 3D печат зависи както от материала, така и от това колко добре съвпада типът процес. Следните четири общи процеса имат доста различни нива на точност:
Лазерно селективно топене (SLM) Прецизно предимство: Диаметърът на лазерното петно ​​на SLM може да бъде толкова малък, колкото 50 μm, дебелината на слоя може да бъде между 20 и 60 μm, прецизността на размерите може да бъде толкова висока, колкото ± 0,05 mm, а грапавостта на повърхността Ra може да бъде толкова ниска, колкото 10 μm. Авиационна компания използва SLM за отпечатване на турбинни лопатки, като се увери, че толерансът на профила на лопатките е в рамките на ± 0,03 mm, което е необходимо на авиационните двигатели, за да могат да бъдат сглобени.
Ограничения за материали: За да накарате материалите с висока отразяваща способност (като медта) да абсорбират повече, трябва да използвате зелен лазер (532 nm) или син лазер (450 nm). Въпреки това цената на оборудването се увеличава с 30% до 50%.
Характеристики на точност при топене на електронен лъч (EBM): EBM работи във вакуум с голяма енергийна плътност в електронния лъч (до 10 ⁴ W/mm²), което го прави добър за печат на материали с високи точки на топене, включително титанови сплави. Определен производител на ортопедични импланти използва EBM за отпечатване на чашки на тазобедрената става. Грапавостта на повърхността беше Ra по-малка или равна на 8 μm, нямаше оксиден слой и чашите бяха по-биосъвместими от тези, направени с традиционни методи.
Контрол на термично напрежение: EBM може да затопли частите до 700 градуса по Целзий, което може да намали остатъчното напрежение и изкривяването с 80%.
Насоченото отлагане на енергия (DED) има диаметър на дюзата от 0,8 до 2 mm, дебелина на слоя от 0,5 до 2 mm, точност на размерите от ± 0,5 mm и грапавост на повърхността от Ra20 до 100 μm. Определена компания за авиационни двигатели използва DED за фиксиране на диск на турбина. Ремонтният слой и субстратът са свързани заедно с металургична якост от 400MPa, което отговаря на изискванията за обслужване.
Предимство на ефективност: DED има скорост на утаяване от 200 cm³/h, което е повече от 10 пъти повече от SLM. Това го прави подходящ за фиксиране или предварително оформяне на големи парчета.
Спрей лепило (BJ)
Потенциал за прецизност: BJ има точност на размерите от ± 0,1 mm и грапавост на повърхността от Ra20-60 μm. Въпреки това, той трябва да бъде обезмаслен (400-600 градуса) и синтерован (1200-1300 градуса) след обработката, което го кара да се свие с 15% до 20%. Определена автомобилна фирма използва BJ отпечатани вложки за матрица и след като са готови, размерът остава стабилен в рамките на ± 0,05 mm, което е необходимо за масово производство.
Предимство в цената: Единичната част на BJ струва 60% до 70% по-малко от SLM, което го прави добър за ситуации, в които са необходими средна прецизност и голям мащаб.
3. Типичен пример: Проверка на практическо приложение на несъответствия в точността
Остриета от титаниева сплав за авиационни двигатели Печат чрез SLM
Една авиационна компания използва SLM технология, за да направи остриета от титаниева сплав TC4. Чрез подобряване на техниките за сканиране (като спирално сканиране) и поддържащи структури (като решетъчна опора), толерансът на профила на острието премина от ± 0,1 mm до ± 0,03 mm, а грапавостта на повърхността премина от Ra25 μm до Ra8 μm. Това направи двигателя с 2% по-ефективен.
Неръждаема стомана 316L се използва за имплантиране на медицински устройства. SLM печат
Ортопедична компания използва SLM за отпечатване на костни пластини от неръждаема стомана 316L. Толерансът на отвора беше зададен на ± 0,02 mm и след електролитно полиране грапавостта на повърхността Ra < 0,8 μm отговаряше на медицинския стандарт ISO 13485, намалявайки времето, необходимо за интегриране на костта с 30%.
Батерия за ново енергийно превозно средство: AlSi10Mg Printed with SLM
Нова фирма за енергийни превозни средства използва SLM печатни скоби за батерии, за да промени размера на зърното чрез добавяне на 0,5% Sc елемент, което намалява степента на горещо счупване от 15% на 0,5%. Здравината на скобата се повишава с 25%, а теглото й намалява с 30%, когато е топлинно-обработена с T6 (530 градуса твърд разтвор + 170 степен на стареене).