Kan metal 3D-printforme opnå batch-konsistens?

一, Hovedproblemet med batch-konsistens er "diskontinuiteten" mellem laboratoriet og værkstedet.
Det grundlæggende princip i metal 3D-printprocessen er "lag for lag smeltning og stabling", som omfatter forskellige multidimensionelle aspekter, herunder laserenergiregulering, pulverfordelingsensartethed og temperaturgradientkontrol. I laboratoriemiljøer er det nemt at udskrive enkeltforme af høj-kvalitet ved hjælp af præcisionsteknologi og begrænset plads. Men når det kommer til masseproduktion, bliver følgende problemer store variabler, der begrænser konsistensen:
Materialeudsving: Forskelle i metalpulverbatcher, såsom størrelsesfordelingen af ​​partiklerne, mængden af ​​ilt og mængden af ​​urenheder, har direkte indflydelse på, hvor godt metallet flyder og størkner under smeltningsprocessen. Dette kan føre til forskelle i størrelse eller ydeevne i den samme designmodel, når den udskrives i forskellige batches. For eksempel, hvis iltniveauet i titanlegeringspulver stiger med 0,01 %, kan dets evne til at modstå træthed falde med 5 % til 10 %.
Lille procesvindue: Ændringer i lasereffekt, scanningshastighed og lagtykkelse på blot nogle få procent (såsom ± 1 % effektændringer) kan inducere revner, porøsitet eller deformation. For eksempel skal vægtykkelsen af ​​de indvendige kølekanaler i flymotorens turbineblade holdes mellem 0,3 og 0,5 mm. Hvis nogen af ​​disse parametre ændres, kan kanalerne blive blokeret, eller strukturen kan svigte.
Udstyrsstabilitet: Efterhånden som udskrivningstiderne bliver længere, vil problemer med ældning af udstyr, herunder tab af laserenergi, afdrift af spejlscanningsnøjagtighed og temperaturændringer i støbekaviteten langsomt føje op til flere fejl. En international standardgruppe udførte en test, der viste, at dimensionsnøjagtigheden af ​​trykte materialer kunne falde fra ± 20 μm til ± 50 μm, efter at en enkelt enhed har kørt i 500 timer i træk.
Usikkerhed efter forarbejdning: Forme skal ofte sandblæses og poleres, efter de er fremstillet, for at opfylde standarder for overfladeruhed som Ra Mindre end eller lig med 0,8 μm. Denne metode kan forårsage nye dimensionelle fejl, især i mikrostrukturer som forgreningskanaler af konforme vandveje, som standardbearbejdning ikke altid kan sikre sig er ens.
2, Teknologisk gennembrud: skabe en mekanisme til fuld kædekontrol, der garanterer konsistens
Industrien har langsomt bygget en teknologisk barriere for batchkonsistens ved at arbejde sammen i fire dimensioner om "hardware, software, proces og materialer." Ved at bruge førende virksomheder som Yunyao Shenwei som eksempler, kan deres løsninger grupperes i tre hovedkategorier:
1. Hardwarestabilitet: Løsning af problemer ved kilden
Høj-præcisions pulverspredningssystem: bruger et -berøringsfrit pulverskifte og integreret cylinderskiftedesign for at forhindre pulvere i at blande sig. Pulverets renhed er steget til mere end 99,9% takket være vibrationsscreening og teknologier til fjernelse af urenheder i magnetiske felter. For eksempel kan Yunyao Shenweis maskiner konsekvent kontrollere tykkelsen af ​​hvert lag til inden for 2-10 μm, og sørge for, at pulveret spredes jævnt i hvert lag til inden for ±5 μm.
Lukket-sløjfestyring af laserenergi: Ved at bruge-realtidsovervågning af lasereffekt, pletform og energifordeling sammen med dynamiske kompensationsalgoritmer holdes energiændringer inden for ± 0,5 %. En bestemt virksomhed producerede et synkront scanningssystem med ti-laser, der ikke kun gør udskrivning fem gange hurtigere end typisk udstyr, men også sænker overfladeruheden til Ra Mindre end eller lig med 1,6 μm ved at optimere punktoverlapning.
Miljøkontrolsystem: Det har et multi-zone temperaturkontrolmodul og et inert gascirkulationssystem i støbehulrummet. Det holder temperaturgradienten inden for ± 2 grader og iltkoncentrationen under 50 ppm, hvilket stopper vridningsdeformation forårsaget af termisk stress.
2. Procesoptimering: fra erfaring-baseret til databaseret-
Bibliotek af parametre og processimulering: Opret et bibliotek af procesparametre, der inkluderer almindelige materialer som titanlegering og formstål. Brug derefter finite element-analyse (FEA) til at simulere, hvordan den smeltede pool vil opføre sig over tid, forudsige, hvordan den vil deformeres, og forbedre støttestrukturer. For eksempel brugte et firma simulering til at reducere udskrivningsforvrængning af brændstofdyser fra flymotorer fra 0,8 mm til 0,2 mm.
Online overvågning og feedback i et lukket sløjfe: Brug højhastighedskameraer og infrarøde termometre under udskrivningsprocessen for at få vigtige oplysninger som f.eks. formen på den smeltede pool og temperaturfeltfordelingen i realtid. Brug maskinlæringsalgoritmer til at ændre scanningsveje og strømindstillinger på farten. Yunyao Shenweis intelligente procesbibliotek har kombineret mere end 100.000 sæt materialeegenskaber. Med blot et enkelt klik kan den finde den bedste printløsning, hvilket gør størrelseskonsistensen bedre til inden for ± 10 μm.
Udskrivning med mere end én type materiale: For at imødekomme de funktionelle behov i forskellige dele af formen, såsom slidstyrke og termisk ledningsevne, skal du forbedre gradientmaterialeudskrivningsteknologien. For eksempel lægges et lag af kobberlegering med fremragende termisk ledningsevne på overfladen af ​​en konform kanal, mens hovedstrukturen er konstrueret af høj-titaniumlegering. Dette gøres ved hjælp af materialegrænsefladestyringsteknologi for at skabe et sømløst bånd.
3. Kvalitetssporbarhed: fra kontrol af én vare til kontrol af hele processen
Digital Twin: Opret virtuelle modeller for hver enhed, hold styr på arbejdstilstanden og udskrivningsindstillingerne for det faktiske udstyr i realtid, og brug data twin-teknologi til at advare om mulige problemer, før de opstår. Denne teknologi har hjulpet en virksomhed med at reducere nedetiden for udstyr med 40 % og hæve udskrivningen til 98,5 %.
Et komplet sporbarhedssystem for proceskvalitet, der omfatter styring af pulverbatcher, hold øje med udskrivningsprocessen og test af det færdige produkt, som alt sammen udgør en lukket-loop-datakæde. Hver form har for eksempel sin egen digitale etiket, der kan scannes for at finde dens printudstyr, parameterindstillinger, pulverbatch og testrapport. Dette gør det nemt at finde fejl og holde folk ansvarlige.
Standarder for standardiserede tests: Hjælp med at lave internationale standarder for ting som mekaniske egenskaber (som trækstyrke og udmattelseslevetid), dimensionsnøjagtighed (som CT-scanning tre-dimensionel afvigelsesanalyse), overfladekvalitet (som måling af interferometer med hvidt lys) og meget mere. Dette vil hjælpe industrien med at vokse på en standardiseret måde.
3, Industrialiseringspraksis: Anvendelse i stor skala fra luftfart til sundhedspleje
Vi er nødt til at teste den reelle værdi af teknologiske fremskridt ved at bruge dem i industrien. Lige nu kan 3D-printforme i metal lave serier af produkter, der er ensartede i mange avancerede felter:
Luftfart: COMAC C929 anvender SLM-teknologi til at udskrive vingestøtter lavet af titanlegering. Den opnår en størrelsesafvigelse på mindre end eller lig med ± 15 μm i batchproduktion på 200 styk ved multi-lasersamarbejde og lukket-sløjfekontrol. Den består også træthedstest og reducerer vægten med 15 %. Den regenerative kølekanaltopologi har forbedret SpaceX-rakettrykkammeret, skåret udskrivningscyklussen fra de sædvanlige 6 måneder til 3 uger og giver mulighed for 500 varmecyklustest uden fejl.
Medicinsk støbeform: 3D-trykt støbeform til en porøs titaniumlegering mellemlegemefusionsenhed, der forkorter injektionscyklussen fra 120 sekunder til 45 sekunder og hæver produktcertificeringsraten fra 85 % til 99 %; Den skræddersyede tandkroneform af koboltkromlegering kan tilpasses på kun 2 uger til 3 dage, og når der laves 5000 stykker på én gang, er størrelsen altid inden for ± 20 μm.
Bilstøbeform: Et nyt energikøretøjsfirma brugte 3D-print til at lave batteripakkeforme, som skar svejseproceduren fra 12 til 3 og gjorde kroppen 20 % stivere. Det oprettede en 3D-print produktionslinje, der kan lave 50.000 styk om året. Prisen pr. vare er 35 % lavere end ved traditionelle metoder.