Може ли твърдостта на металните форми за 3D печат да отговори на изискванията за производство с висока-якост?

1. Избор на правилния материал: Долна опора от метален прах с висока якост
Самият материал определя колко твърди са металните форми за 3D печат. Инструментална стомана, неръждаема стомана, твърди сплави и специални сплави са най-често срещаните материали за 3D печатни форми в момента. Те имат диапазон на твърдост от HRC 20 до 70, което означава, че могат да се използват в различни ситуации.
Инструменталната стомана, подобно на H13 и A2, има твърдост HRC 40–60 след термична обработка. Той е здрав и устойчив на износване, което го прави подходящ за ситуации с висок-стрес като-форми за леене под налягане и форми за горещо коване. Например, компания, която произвежда автомобилни части, използва 3D отпечатани форми от стомана H13, които са твърди HRC 52 след термична обработка. Тези форми работят също толкова добре, колкото традиционните форми за коване и издържат три пъти по-дълго.
Неръждаемата стомана 316L има твърдост от около HRC 20–30, но чрез регулиране на настройките за печат и последваща-обработка, нейната твърдост може да бъде повишена до над HRC 40, като същевременно е много устойчива на корозия. Това го прави добър за области, където хигиената е много важна, като опаковки на храни и медицински изделия.
Твърда сплав: WC Co (волфрамов карбид кобалт) е типичен материал за ситуации на екстремно износване като матрици за щанцоване и матрици за изтегляне. Има твърдост до HRC 55–70 и е повече от 10 пъти по-устойчива-на износване от инструменталната стомана. Определена компания, която произвежда електрически части, използва 3D-отпечатани форми от здрави сплави, за да удвои честотата на щанцоване, от 500 000 пъти до 2 милиона пъти.
3D printing can make fine-grained structures in special alloys like Inconel 718 nickel-based alloy. These structures are 20% harder than those made by traditional casting. They also stay strong at high temperatures (strength retention rate>90% при 650 градуса), поради което се използват много в матрици за турбинни дискове на авиационни двигатели.
2. Оптимизиране на процеса: прецизен контрол от „отпечатване“ до „формоване“
Твърдостта на метала Не само материалът, но и точното управление на параметрите на процеса са важни за 3D печата. Например технологията за селективно лазерно топене (SLM) увеличава твърдостта чрез оптимизиране на следните важни параметри:
Control of energy density: The quality of the molten pool is directly affected by the strength of the laser, the speed of the scan, and the size of the spot. When the energy density is low, the material may become more porous (15% less hard when>1%), а когато е високо, може да се спука. Проучване показва, че при отпечатване на неръждаема стомана 316L с лазерна мощност от 150 W и скорост на сканиране от 800 mm/s, порьозността остава под 0,3%, а твърдостта достига HRC 38, което е почти същото като това на изковките.
Сила на свързване между слоевете: Силна металургична връзка между слоевете може да се направи чрез промяна на процедурите за сканиране (като сканиране на шахматна дъска и островно сканиране) и дебелината на слоя (20–50 μm). Например, определен авиационен бизнес отпечатва калъпи за турбинни лопатки Ti6Al4V с дебелина на слоя от 30 μm и якост на междуслойно свързване от 450MPa, което е с 20% по-здраво от предишните методи.
Setting the cooling rate: Rapid cooling (>10 ^ 4 градуса /s) може да създаде фино-зърнеста структура (като мартензит), която прави материала много по-твърд. Използвайки технологията L-PBF, екипът на City University of Hong Kong отпечата Al Mg Mn Sc Zr сплав. Те използваха механизма за укрепване на нано близнаци, за да повишат границата на провлачване до 656MPa, като същевременно поддържат пластичността на 12%.
3. Технология за последваща-обработка: последната стъпка за подобряване на твърдостта
3D принтирането не е краят; технологията за последваща-обработка е най-важната част от заздравяването на формите.
Топлинна обработка: промяна на структурата на решетката чрез отгряване, закаляване или стареене. Например, след отлежаване при 480 градуса, твърдостта на 3D отпечатана 18Ni300 мартензитна стоманена форма премина от HRC 38 на HRC 52. Това премахва остатъчното напрежение и намалява вероятността да се счупи.
За да направите повърхността по-твърда, можете да използвате дробестене, азотиране или лазерно покритие. Определен-производител на форми за леене под налягане е използвал дробестерола за 3D отпечатване на стоманени форми H13. Това направи повърхността по-твърда (от HRC 50 на HRC 58) и ги направи с 40% по-устойчиви на износване.
Горещо изостатично пресоване (HIP): Използване на високо налягане (100–200 MPa) и висока температура (900–1200 градуса), за да се отървете от вътрешните пори и да получите плътността на материала близо до 100%. Формата Inconel 718, която е обработена с HIP, е 30% по-твърда и издържа пет пъти по-дълго от матрицата, която не е обработена.
4. Индустриална употреба: тестване от лабораторията до производствената линия
Предимството на твърдостта на металните форми за 3D печат е потвърдено в няколко области:
GE Aviation използва 3D-отпечатани форми за горивни дюзи Inconel 718 с твърдост HRC 45. Тези форми са с 15% по-леки от стандартните отливки и издържат на високи температури и налягания.
Производство на автомобили: BMW Group прави цилиндрови блокове на двигатели от алуминиева сплав, използвайки стоманени форми и инструменти за 3D печат. Твърдостта на формата е HRC 50 и издържа повече от 100 000 пъти, което намалява цената на всяко парче с 40%.
Johnson & Johnson използва 3D-отпечатани ортопедични форми за импланти от кобалтово-хромова сплав, които са HRC 60 твърди и Ra<0.2 μ m rough on the surface. These moulds meet both biocompatibility and wear resistance standards.