Er der en væsentlig forskel i 3D-printnøjagtighed mellem forskellige metalmaterialer?

1. Materialeegenskaber: de fysiske og kemiske egenskaber, der påvirker muligheden for nøjagtighed
Præcisionen af ​​3D-print med metalmaterialer skyldes for det meste samspillet mellem materialets termodynamiske adfærd under smelte- og størkningsprocessen og processtyringen. Ændringerne i egenskaberne af følgende fire almindelige materialer påvirker direkte, hvor nøjagtige deres udskrifter er:
Legering af titanium (som TC4/Ti-6Al-4V)
Titaniumlegeringer er stærke, lette og modstandsdygtige over for rust, men de kan kun udskrives nøjagtigt af to hovedårsager:
Høj termisk krympningshastighed: TC4 har en lineær ekspansionskoefficient på 8,6 × 10 ⁻⁶/grad, hvilket betyder, at den let kan forårsage restspænding, når den afkøles hurtigt, hvilket kan få dele til at deformeres og ændre form. For eksempel, hvis du ikke bruger varm isostatisk presning (HIP) efter at have printet en form til et flymotorblad, kan dimensionerne være så meget som ± 0,3 mm. Efter HIP-behandling kan dimensionerne falde med så lidt som ± 0,05 mm.
Lav laserabsorptionshastighed: Titaniumlegering kan reflektere op til 60 % af laserlyset, så den har brug for en høj energitæthed (typisk > 100W/mm²) for at smelte jævnt. Men for meget energi kan skabe sprøjt og ændre overfladens ruhed. Du kan sænke overfladeruheden fra Ra25 μm til Ra10 μm ved at ændre scanningsteknikken (f.eks. ved brug af skakternet scanning).
316L rustfrit stål er et eksempel.
Rustfrit stål har et stort procesvindue og er ikke særlig følsomt over for varmerevner, hvilket gør det bedre til print:
Stabil bred smeltebassin: 316L smelter ved 1375 grader, og en stabil smeltepool kan laves med en lasereffekt på 50 til 200W og en dimensionsnøjagtighed på ± 0,05 mm. En virksomhed, der laver medicinsk udstyr, brugte SLM-teknologi til at printe knogleplader med en blændetolerance på ± 0,02 mm, hvilket opfyldte kravene til at sammensætte ortopædiske implantater.
Ensartethed i organisationen: 316L's austenitiske natur gør det mindre sandsynligt, at den skiller sig ad under udskrivningsprocessen. Ved anvendelse med fast opløsningsbehandling (isolering ved 1050 grader i 1 time og vandafkøling), kan mellemlagsbindingsfejl rettes, hvilket øger udmattelseslevetiden med 30 %.
Aluminiumslegering, såsom AlSi10Mg
Det største problem ved udskrivning af aluminiumslegering er, at den har en høj varmeledningsevne og er tilbøjelig til at revne, når den bliver varm.
Revner dannes, når noget afkøles hurtigt: AlSi10Mg har en termisk ledningsevne på 150W/(m · K), og smeltebassinet kan køle ned med en hastighed på 10 ⁶ grader /s, hvilket gør det nemt for varme brud at dannes ved korngrænser. Tilsætning af 0,5 % Sc-element kan gøre kornstørrelsen mindre end 1 μm, hvilket sænker revnehastigheden fra 15 % til 0,5 %.
Effekt af overfladeoxidfilm: Aluminiumoverfladen vil sandsynligvis generere en tyk oxidfilm (Al ₂ O3), som gør, at pulveret ikke flyder godt og betyder, at udskrivning skal udføres med vakuumbeskyttelse af inert gas. Efter at have forbedret gascirkulationssystemet gik overfladeruheden af ​​en ny energikøretøjs batteripakke fra Ra50 μm til Ra15 μm.
Nikkel-baserede høj-temperaturlegeringer, såsom Inconel 718
Udfordringen ved høje-temperaturlegeringer er at kontrollere mikrostrukturen ved meget høje temperaturer:
Søjleformet krystalvæksttendens: Under udskrivning har Inconel 718 en tendens til at generere søjleformede krystaller, der udvikler sig i konstruktionsretningen. Dette gør materialet anisotropt. Ændring af scanningshastigheden (600–1000 mm/s) og lagtykkelsen (30–50 μm) kan få kornstørrelsen til at gå fra 500 μm til 100 μm, hvilket får trækstyrken til at øges med 15 %.
Følsomhed over for mikrorevner: Fasen (Ni ∝ (Al, Ti)) danner sandsynligvis ujævne aflejringer, når den afkøles hurtigt, hvilket kan forårsage mikrorevner. Mere end 90 % af mikrorevnerne kan fjernes ved at bruge graderet varmebehandling (720 graders isolering i 8 timer, efterfulgt af luftkøling og 620 graders isolering i 8 timer).
2. Processens tilpasningsevne: Valg af vej til præcis implementering
Præcisionen af ​​metal 3D print afhænger af både materialet og hvor godt procestypen matcher. De følgende fire almindelige processer har ret forskellige niveauer af nøjagtighed:
Laser Selective Melting (SLM) Præcisionsfordel: Laserpletdiameteren af ​​SLM kan være så lille som 50 μm, lagtykkelsen kan være mellem 20 og 60 μm, dimensionspræcisionen kan være så høj som ± 0,05 mm, og overfladeruheden Ra kan være så lav som 10 μm. Et luftfartsselskab brugte SLM til at udskrive turbinevinger, og sikrede sig, at vingeprofiltolerancen var inden for ± 0,03 mm, hvilket er, hvad luftfartsmotorer skal bruge for at kunne sættes sammen.
Materialebegrænsninger: For at få materialer med høj reflektivitet (som kobber) til at absorbere mere, skal du bruge en grøn laser (532nm) eller en blå laser (450nm). Udgifterne til udstyret stiger dog med 30% til 50%.
Elektronstrålesmeltning (EBM) Nøjagtighedsfunktioner: EBM arbejder i et vakuum med stor energitæthed i elektronstrålen (op til 10 ⁴ W/mm ²), hvilket gør det godt til udskrivning af materialer med høje smeltepunkter, inklusive titanlegeringer. En vis producent af ortopædiske implantater brugte EBM til at printe hofteledskopper. Overfladeruheden var Ra Mindre end eller lig med 8 μm, der var intet oxidlag, og kopperne var mere biokompatible end dem, der blev fremstillet med traditionelle metoder.
Termisk spændingskontrol: EBM kan opvarme dele til 700 grader Celsius, hvilket kan reducere resterende spænding og vridning med 80%.
Directed Energy Deposition (DED) har en dysediameter på 0,8 til 2 mm, en lagtykkelse på 0,5 til 2 mm, en dimensionspræcision på ± 0,5 mm og en overfladeruhed på Ra20 til 100 μm. Et bestemt luftfartsmotorfirma brugte DED til at reparere en turbineskive. Reparationslaget og underlaget er bundet sammen med en metallurgisk styrke på 400MPa, som opfylder servicekravene.
Fordel ved effektivitet: DED har en sedimentationshastighed på 200 cm³/h, hvilket er mere end 10 gange SLM. Dette gør den god til at fikse eller forforme store stykker.
Spray Adhesive (BJ)
Potentiale for præcision: BJ har en dimensionsnøjagtighed på ± 0,1 mm og en overfladeruhed på Ra20-60 μm. Det skal dog affedtes (400-600 grader) og sintres (1200-1300 grader) efter behandling, hvilket får det til at krympe med 15% til 20%. Et bestemt bilfirma anvender BJ-trykte formindsatser, og efter at de er færdige, forbliver størrelsen stabil inden for ± 0,05 mm, hvilket er, hvad der er nødvendigt for massefremstilling.
Omkostningsfordel: BJ's enkelt styk koster 60 % til 70 % mindre end SLM, hvilket gør den god til situationer, hvor der er behov for mellem præcision og stor skala.
3. Typisk eksempel: Praktisk applikationsverifikation af nøjagtighedsafvigelser
Klinger i titaniumlegering til flymotorer Udskrivning med SLM
Et luftfartsselskab brugte SLM-teknologi til at fremstille TC4 titanlegeringer. Ved at forbedre scanningsteknikker (såsom spiralscanning) og støttestrukturer (såsom gitterunderstøtning) gik bladprofiltolerancen fra ± 0,1 mm til ± 0,03 mm, og overfladeruheden gik fra Ra25 μm til Ra8 μm. Dette gjorde motoren 2% mere effektiv.
316L rustfrit stål bruges til implantation af medicinsk udstyr. SLM udskrivning
Et ortopædisk firma brugte SLM til at printe 316L rustfrit stål knogleplader. Blændetolerancen blev sat til ± 0,02 mm, og efter elektrolytisk polering opfyldte overfladeruheden Ra < 0,8 μm den medicinske standard ISO 13485, hvilket reducerede den tid, det tog for knoglen at integrere med 30 %.
Batteripakke til et nyt energikøretøj: AlSi10Mg Trykt med SLM
Et nyt energikøretøjsfirma anvender SLM-trykte batteripakkebeslag til at ændre kornstørrelsen ved at tilføje 0,5 % Sc-element, hvilket sænker den varme brudrate fra 15 % til 0,5 %. Beslagets styrke stiger med 25 %, og dets vægt falder med 30 %, når det varme-behandles med T6 (530 grader fast opløsning + 170 ældningsgrad).