Er omkostningerne ved varmebehandling til metal 3D-print høje?

一, Varmebehandlingens hovedrolle i 3D-print af metal
Metal 3D-print laver komplicerede strukturer ved at smelte metalpulver et lag ad gangen, men denne proces har tre store problemer:
Restspænding: Hurtig opvarmning og afkøling med laser kan ændre formen på gitteret, hvilket kan få dele til at revne eller bøje.
Organisatoriske fejl: Ikke-ligevægtsstørkning skaber grove træk som søjleformede krystaller og dendritter, som gør materialer mindre stærke.
Ujævn ydeevne: svage grænseflader kan let dannes ved mellemlagsforbindelser, hvilket forkorter materialets levetid.
Ved omhyggeligt at styre temperaturfeltet og faseovergangsprocessen kan varmebehandling nå tre hovedmål:
Afspændingsaflastning: Udglødningsbehandling slipper for reststress og gør dimensionerne mere stabile.
Organisatorisk optimering: Få en ensartet og fin ligeakset krystalstruktur ved at bruge solid opløsning og ældningsbehandling.
Forbedring af ydeevne: Styring af formen på udfældningsstadierne for at finde en balance mellem styrke og sejhed.
For eksempel blev SLM-teknologien brugt til at fremstille et specifikt flymotorblad, som derefter blev behandlet med en opløsning ved 1050 grader og ældet ved 550 grader. Trækstyrken gik fra 850 MPa til 1200 MPa, og træthedslevetiden steg tre gange.
2, Et multidimensionelt kig på omkostningsfordelingen af ​​varmebehandling
1. Udgifter til udstyr: omkostningerne ved præcis kontrol
For at varmebehandle 3D-printede metalgenstande har du brug for specialværktøj:
En vakuumovn forhindrer aktive metaller som titanlegeringer i at ruste. Det koster to til tre gange så meget som en almindelig ovn.
Laser varmebehandlingssystem: bruges til at ændre overfladen på et lille område, og udstyret koster mere end 5 millioner yuan.
Et intelligent kontrolsystem skal omfatte infrarød temperaturmåling, atmosfærekontrol og andre moduler. Værdien af ​​et enkelt system er over en million yuan.
En bestemt virksomhed siger, at værdiforringelsen af ​​varmebehandlingsudstyr udgør 18% til 25% af enhedsomkostningerne, og denne procentdel stiger hurtigt, efterhånden som udstyrets nøjagtighed forbedres.
2. Energiomkostninger: Høje temperaturer skaber et-langsigtet sort hul i energiforbruget.
Normale indstillinger for varmebehandlingsprocessen:
Opløsningsbehandling: 4 til 6 timers isolering ved 1000–1050 grader
Tidsbehandling: Hold isoleringen ved 160-180 grader i 8-12 timer.
Afspændingsaflastende udglødning: Hold den ved 300-400 grader i 2-4 timer.
For eksempel kræver det 120-150 kWh energi at varmebehandle et stykke Ti6Al4V, der er fremstillet ved hjælp af SLM. Omkostningerne til strøm er mere end 15%, hvis du bruger en elektrisk varmeovn. Hvis du anvender en gasvarmeovn, sparer du 40 % på energiomkostningerne, men du skal bruge mere på udstyr til at rense udstødningsgasserne.
3. Materialeomkostninger: The Efficiency Game of Recycling Powder
Varmebehandling kan føre til materialetab:
Oxidationsforbrænding: Når metal opvarmes til høje temperaturer, opstår der oxidationshud på overfladen. Tabsprocenten er 0,5% til 1,2%.
Tab af flygtige stoffer: Metaller med lavt kogepunkt, såsom magnesiumlegeringer, fordamper ved høje temperaturer og taber mere end 2 % af deres vægt.
Støttestruktur: Design af komplekse interne flowkanaldele med aftagelige understøtninger øger materialespildsraten med 5 % til 8 %.
Pulvergenbrugssystemet kan hæve udnyttelsesgraden til 92%-95%, men problemet med at genbrugspulver mister sin effektivitet skal stadig løses. En undersøgelse viste, at efter tre anvendelser steg iltkoncentrationen af ​​Ti6Al4V-pulver med 0,03%, hvilket fik komponenternes træthedsstyrke til at falde med 12%.
4. Tidsomkostninger: proceskæden har en effektivitetsflaskehals
En typisk varmebehandlingscyklus ser sådan ud:
Før behandling: rengøring, ustøttet, sandblæsning (2-4 timer)
Opvarmning, isolering og afkøling (8 til 24 timer) er alle en del af varmebehandlingen.
Efter-behandling: klipning af tråden, polering og testning (3-6 timer)
Et bestemt autopartsfirma siger, at varmebehandlingsproceduren udgør 60% til 70% af hele 3D-printproduktionscyklussen. Dette er en væsentlig årsag til, at leveringerne er langsomme.
3, Teknisk vej til at sænke omkostningerne
1. Skift måden, tingene gøres på: Gør varmebehandlingscyklussen kortere.
Hurtig udglødningsteknik bruger høj-effekttæthedsopvarmning til at reducere den tid, det tager at behandle en opløsning, fra 6 timer til 2 timer.
Graderet ældningsproces: Ved at kontrollere temperaturen i flere trin, skæres den samlede isoleringstid ned, mens man stadig sikrer, at ydeevnen er god.
Induktionsvarme lokal behandling: Kun de vigtigste dele opvarmes, hvilket reducerer energiforbruget med mere end 70 %.
Et bestemt flyselskab brugte hurtig udglødningsteknologi til at reducere omkostningerne ved varmebehandling af Ti6Al4V-dele med 35 % og gøre mikrostrukturen mere konsistent med 20 %.
2. Opgrader udstyr: Udnyt energien bedre
Vakuum lavtryks-opkulningsovn: Hold trykket i luften mellem 10 og 100 Pa for at bruge mindre gas.
Spildvarmegenvindingssystem: Brug af spildvarmen fra kølevand til at opvarme nye dele, hvilket reducerer det samlede energiforbrug med 18 %.
Smart temperaturkontrolsystem: bruger maskinlæring til at forbedre varmekurven og skære ned på behovet for gentagen behandling forårsaget af ændringer i temperatur.
Efter at en bestemt udstyrsproducent begyndte at bruge et intelligent temperaturstyringssystem, steg kvalifikationsgraden for varmebehandling fra 82 % til 95 %, og prisen pr. enhed faldt med 22 %.
3. Forbedring af materialer: Fremstilling af legeringssystemer, der er billige
Delvis printteknologi: Anvendelse af aluminiumslegering i dele, der ikke skal bære meget vægt, og titanlegering i dele, der skal, hvilket reducerer materialepriserne med 40 %.
Nanomodificeret pulver: Tilføjelse af 0,5 % nanopartikler sænker varmebehandlingstemperaturen med 50 grader Celsius og reducerer energiforbruget med 30 %.
Brug af regenereret pulver: Lav en model for, hvordan pulverets ydeevne vil ændre sig over tid, så produktionen forbliver stabil efter mindst fem anvendelser.
Mg Zn Ca rustfri magnesiumlegering skabt af et bestemt forskerhold fungerede lige så godt som aluminiumslegering i saltspraytest, og den reducerede udgifterne til overfladebehandling med 60 %.
4. Process reengineering: at samle fremstilling og varmebehandling
Integreret udstyr til udskrivning af varmebehandling: Et induktionsvarmemodul er bygget inde i udskrivningskammeret for at muliggøre in{0}}-udglødning.
Digital tvillingteknologi: Brug af simulering til at finde de bedste procesparametre og skære ned på trial and error omkostninger.
Automatiseret produktionslinje: kombinerer moduler som rengøring, varmebehandling og detektion for at halvere arbejdsomkostningerne.
En specifik virksomhed byggede en smart fabrik, der reducerede de samlede omkostninger ved 3D-printede dele med 42 % ved at ændre den måde, de er fremstillet på. Omkostningerne til varmebehandling faldt fra 25 % til 14 %.