Hvad er efter-behandling til 3D-udskrivning af metal? Hvorfor er efterbehandling nødvendig-?

一, hvad efter-bearbejdning af metal 3D-print er, og hvad er dens hovedmål
Efter-behandling af metal 3D-printning er en række trin, der tages på udskrevne dele, efter fremstillingen af ​​metaladditiv er færdig. Disse trin omfatter fiksering, optimering og behandling af delene for at slippe af med produktionsfejl, forbedre ydeevneindikatorer og imødekomme behovene i visse applikationer. Hovedmålene med det kan opsummeres som:

Kvalitetsforbedring: slip af med problemer såsom mellemlags bindingsfejl og ru overflader, der gør dele mindre pålidelige.
Ydeevneoptimering: Varmebehandling, overflademodifikation og andre behandlinger kan forbedre vigtige kvaliteter af materialer som styrke, hårdhed og modstandsdygtighed over for korrosion.
Dimensionskorrektion: Gør op for termisk deformation og krympning, der sker under udskrivning, for at sikre, at stykkerne opfylder designtolerancekravene.
Funktionel integration: giver stykker mere kompliceret overordnet ydeevne ved at styrke deres struktur eller kombinere forskellige materialer.
For eksempel i rumfartsindustrien bruges metal 3D-print til at lave den generelle ramme for en bestemt type raketmotorbrændstoftank. Derefter bruges varm isostatisk presning (HIP) behandling til at fjerne eventuelle indre porer. Derefter bruges CNC-fræsning til at forme tætningsfladen, og anodiseringsbehandling bruges til at gøre den mere modstandsdygtig over for korrosion. Denne serie af procedurer efter forarbejdning gør delene 30 % stærkere, 40 % lettere og i stand til at forsegle under meget barske forhold.

2, Det vigtigste teknologiske system til efter-behandling
Der er fire teknologiske moduler i efter-behandlingen af ​​metal 3D-print: materialefjernelse, varmebehandling, overfladebehandling og strukturel forstærkning. Hvert modul er en del af en større løsning, der fungerer til forskellige situationer.

1. Materialefjernelse: udskæring med nøjagtighed fra "ru" til "fin"
Metal 3D-printede emner kan ofte ikke bruges med det samme, da de har resterende støttestrukturer og ru overflader (Ra-værdier kan være så høje som 10-20 μm). Materialefjernelsesteknik bruger mekanisk behandling, laserskæring eller kemisk korrosion til at gøre følgende:

For at fjerne støttestrukturen skal du bruge kryogen-assisteret peeling eller mekaniske skæreværktøjer for at sikre, at støtten fjernes helt uden at beskadige den udskrevne genstand. For eksempel fryses et trykt afsnit af et bilhjulsnav ved en lav temperatur, hvilket gør den bærende struktur skrøbelig og lettere at pille af. Dette øger effektiviteten med 50 %.
Efterbehandling af overfladen: CNC-fræsning, slibning eller polering kan gøre overfladens ruhed mindre end Ra0,8 μm. Et fem--akse koblingsbearbejdningscenter blev brugt til at spejlpolere flowkanalens overflade efter udskrivning af bladene på en bestemt flymotor. Dette reducerede luftstrømsmodstanden med 15 %.
Størrelseskorrektion: Brug et koordinatmåleudstyr til at få feedbackdata og rette eventuelle ændringer i størrelse, der sker under udskrivning, ved hjælp af mekanisk behandling. Mikrofræsningsteknologi holder dimensionsnøjagtigheden af ​​et trykt medicinsk udstyrsimplantat inden for ± 0,01 mm, hvilket er hvad der er nødvendigt for kirurgisk indsættelse.
2. Varmebehandling: en spilskifter- til at kontrollere mikrostrukturens ydeevne
Varmebehandling fjerner restspændinger, der opbygges under tryk (op til 50 % til 70 % af materialets flydespænding) og forbedrer materialets kornstruktur ved at regulere varme- og kølekurven. Nogle almindelige metoder er:

Udglødningsbehandling: Opvarm portionen under den temperatur, hvor den kan omkrystallisere, og hold den varm for at slippe af med indre stress og gøre den mere fleksibel. Vakuumglødningsbehandling reducerede den resterende belastning med 80 % og tredoblede træthedslevetiden for et ortopædisk implantat af titanlegering, efter at det var blevet printet.
Fast opløsning og ældningsbehandling: For materialer som nikkel-baserede høj-temperaturlegeringer opløser behandling i fast opløsning styrkelsesfasen, og derefter forårsager ældningsbehandlingen, at der dannes fine bundfald, hvilket i høj grad øger høj-temperaturstyrken. Efter udskrivning af turbineskiven til en given flymotor forbedrede solid opløsning og ældningsbehandling dens krybemodstand ved 650 grader med 40%.
Varm isostatisk presning (HIP) bruger både høj temperatur (typisk 0,7-0,9 gange materialets smeltepunkt) og højtryk (100-200MPa) for at slippe af med indre porer og gøre materialet tættere. Efter at have udskrevet en specificeret del af en satellitstruktur hævede HIP-behandling tætheden fra 99,2 % til 99,95 % og træthedsgrænsen med 25 %.
3. Overfladebehandling: Fra "funktionalisering" til "intelligentisering" i overfladeteknik
Ved at modificere genstandes overflademorfologi eller kemiske sammensætning giver overfladebehandlingsteknologi dem specifikke egenskaber, herunder modstandsdygtighed over for korrosion, slid og biokompatibilitet. Nogle almindelige teknologier er:

Sandblæsning og polering: Sandblæsning bruger hurtigt-bevægelige sandpartikler til at ramme overfladen, hvilket gør den jævnt ru (Ra3,2–6,3 μm) og hjælper belægningen med at klæbe bedre. Polering gør derefter overfladen endnu glattere, under Ra0,4 μm, for at opfylde optiske eller tætningsbehov.
Galvanisering og kemisk plettering er to måder at tilføje lag af metal eller legering til overfladen af ​​emner for at gøre dem mere modstandsdygtige over for rust eller bedre til at lede elektricitet. Nikkelbelægningsbehandling reducerede korrosionshastigheden med 90 % i en 3,5 % NaCl-opløsning efter udskrivning af en specifik maritim ingeniørdel.
Laserbeklædning: En høj-laserstråle smelter legeringspulver og danner en belægning, der er 0,1-5 mm tyk på emnets overflade. Dette gør den langt mere modstandsdygtig over for slid. Laserbeklædning af en Stellite 6-legeringsbelægning øgede slidstyrken af ​​gearene på et givet stykke mineudstyr med fem gange, efter at de blev udskrevet.
Mikrobueoxidation: En keramisk oxidfilm lægges på overfladen af ​​aluminium- og magnesiumlegeringer for at gøre dem mere modstandsdygtige over for slid og korrosion. Mikrobueoxidationsbehandling øgede korrosionsbestandighedstiden til mere end 1000 timer i saltspraytesten efter udskrivning af beslaget til en ny batteripakke til energikøretøjer.
4. Strukturel styrkelse: ændring af ydeevnen fra "enkelt materiale" til "sammensat struktur"
Ved at tilføje forstærkningsfaser eller forbedre lastoverførselsruter får strukturel forstærkningsteknologi dele til at fungere bedre mekanisk generelt. Nogle almindelige måder er:

Fiberforstærkning: Sætte kulstof- eller keramiske fibre i en metalmatrix for at lave en kompositmaterialestruktur. Efter udskrivning blev en vis del af et flys struktur gjort stærkere ved at tilføje korte carbonfibre, hvilket gjorde det 30% stærkere med hensyn til specifik styrke.
Design af materialer med gradienter: Du kan variere materialets kvaliteter ved at ændre pulverblandingen eller trykparametrene. De trykte dele af en atomkraftventil har en gradientstruktur lavet af nikkel-baseret legeret rustfrit stål. Dette gør dem 40 % mere modstandsdygtige over for træthed i et termisk-mekanisk koblingsmiljø.
Design af gitterstrukturer: Brug af topologioptimering til at lave lette gitterstrukturer, der er mere end 50 % lettere, men alligevel stærke. Efter at have udskrevet en specifik satellitbeslag får den en tetraedrisk gitterstruktur, som gør den dobbelt så stiv og 60 % lettere.
3, Behovet for efter-behandling: et spring fra "teknisk gennemførlighed" til "teknisk pålidelighed"
Behovet for efter-behandling i metal 3D-print skyldes konflikten mellem de fundamentale egenskaber ved additiv fremstillingsteknologi og de strenge krav til tekniske applikationer. Specifikt ses dets nødvendighed i følgende aspekter:

1. Slip for produktionsfejl og sørg for, at produktet fungerer, som det skal.
Termisk stress fra hurtig opvarmning og afkøling, porer, der dannes, når pulveret ikke smelter helt sammen, og svag mellemlagsbinding kan alle gøre stykkerne mindre holdbare og mere tilbøjelige til at gå i stykker under hele metal 3D-printprocessen. For eksempel kan træthedsgrænsen for nikkel-baserede høj-legeringstrykte dele uden HIP-behandling være mindre end 50 % af den for smedede dele; efter udglødning for at fjerne resterende spænding kan udmattelseslevetiden for den smedede del dog overstige 80%.

2. Opfyld præstationsmål og udvid rækken af ​​applikationer
Kravene til delens ydeevne varierer meget afhængigt af applikationen. I rumfartsindustrien skal dele fungere godt i miljøer med høje temperaturer, høje tryk og høje vibrationer. Inden for medicinsk udstyr skal dele være biokompatible og modstandsdygtige over for korrosion fra kropsvæsker. Bilindustrien er mere optaget af at gøre dele lettere og billigere. Efter-behandlingsteknologi gør det muligt for metal 3D-printede emner at tilfredsstille disse specifikke behov ved at optimere dem til disse formål. For eksempel kan forbrændingskammeret i en bestemt type flymotor stadig være strukturelt forsvarligt ved en høj temperatur på 1200 grader efter udskrivning, takket være varmebehandling og belægningsbehandling. Efter at have printet et specialtilpasset titaniumlegering ortopædisk implantat, blev overfladeruheden reduceret til Ra0,2 μm gennem syrevask-poleringsbehandling, som i høj grad forbedrede vedhæftningen af ​​knogleceller.

3. Gør økonomien mere effektiv og tilskynd til store anvendelser
Metal 3D-print er billigere til at lave komplicerede strukturer, men udgifterne til råmaterialerne (sådan titanlegeringspulver, som koster flere hundrede yuan pr. kilogram), afskrivningen af ​​udstyret og den brugte energi er stadig ret høje. Efter-behandlingsteknologi sænker de samlede livscyklusomkostninger ved at gøre bedre brug af materialer (f.eks. genvinde mere end 80 % af pulveret), sænke skrotraten (f.eks. sænke defektraten gennem onlinedetektion og real-tidskorrektion) og forlænge delenes levetid (f.eks. gøre dele mere modstandsdygtige over for korrosion gennem overfladebehandling). For eksempel har en bestemt produktionslinje til udskrivning af bilhjulsnav skåret den tid, det tager at producere et stykke, fra 8 timer til 2 timer ved at tilføje et automatisk efter-behandlingssystem. Dette har ført til en samlet omkostningsbesparelse på 35%.