Hi ha una diferència significativa en la precisió de la impressió 3D entre diferents materials metàl·lics?

1. Propietats del material: les característiques físiques i químiques que afecten la possibilitat de precisió
La precisió de la impressió 3D amb materials metàl·lics es deu principalment a la interacció entre el comportament termodinàmic del material durant el procés de fusió i solidificació i la gestió del procés. Els canvis en les propietats dels quatre materials comuns següents afecten directament la precisió de les seves impressions:
Aliatge de titani (com TC4/Ti-6Al-4V)
Els aliatges de titani són forts, lleugers i resistents a l'òxid, però només es poden imprimir amb precisió per dues raons principals:
Alta taxa de contracció tèrmica: TC4 té un coeficient d'expansió lineal de 8,6 × 10 ⁻⁶ / grau, el que significa que pot provocar una tensió residual fàcilment quan es refreda ràpidament, cosa que pot provocar que les peces es deformin i canviïn de forma. Per exemple, si no utilitzeu la premsa isostàtica en calent (HIP) després d'imprimir un motlle per a la fulla d'un motor d'avió, les dimensions es poden reduir fins a ± 0,3 mm. Després del processament HIP, les dimensions es poden reduir en tan sols ± 0,05 mm.
Baixa taxa d'absorció del làser: l'aliatge de titani pot reflectir fins a un 60% de la llum làser, de manera que necessita una alta densitat d'energia (normalment > 100 W/mm²) per fondre uniformement. Tanmateix, massa energia pot crear esquitxades i canviar la rugositat de la superfície. Podeu reduir la rugositat de la superfície de Ra25 μm a Ra10 μm canviant la tècnica d'escaneig (com ara l'escaneig de taulers d'escacs).
L'acer inoxidable 316L n'és un exemple.
L'acer inoxidable té una gran finestra de procés i no és molt sensible a les esquerdes de calor, cosa que el fa millor per a la impressió:
Piscina de fusió àmplia estable: 316L es fon a 1375 graus, i es pot fer una piscina de fusió constant amb una potència làser de 50 a 200 W i una precisió dimensional de ± 0,05 mm. Una empresa que fabrica dispositius mèdics va utilitzar la tecnologia SLM per imprimir plaques òssies amb una tolerància d'obertura de ± 0,02 mm, que complien els requisits per muntar implants ortopèdics.
Uniformitat en l'organització: la naturalesa austenítica del 316L fa que sigui menys probable que es separi durant el procés d'impressió. Quan s'utilitza amb tractament de solució sòlida (aïllament a 1050 graus durant 1 hora i extinció d'aigua), es poden solucionar les falles d'unió entre capes, la qual cosa augmenta la vida a la fatiga en un 30%.
Aliatge d'alumini, com AlSi10Mg
El problema més gran de l'aliatge d'alumini d'impressió és que té una alta conductivitat tèrmica i és propens a trencar-se quan s'escalfa.
Les esquerdes es formen quan alguna cosa es refreda ràpidament: AlSi10Mg té una conductivitat tèrmica de 150 W/(m · K) i la piscina de fusió es pot refredar a una velocitat de 10 ⁶ graus/s, cosa que facilita la formació de fractures calentes als límits del gra. L'addició d'un element Sc del 0,5% pot fer que la mida del gra sigui inferior a 1 μm, la qual cosa redueix la taxa d'esquerda del 15% al ​​0,5%.
Efecte de la pel·lícula d'òxid superficial: és probable que la superfície d'alumini generi una pel·lícula d'òxid gruixuda (Al ₂ O3), cosa que fa que la pols no flueixi bé i significa que la impressió s'ha de fer amb protecció de gas inert al buit. Després de millorar el sistema de circulació de gas, la rugositat superficial d'un nou suport de bateria de vehicles d'energia va passar de Ra50 μm a Ra15 μm.
Aliatges d'alta temperatura-a base de níquel, com Inconel 718
El repte dels aliatges d'-alta temperatura és controlar la microestructura a temperatures molt elevades:
Tendència de creixement del cristall columnar: durant la impressió, Inconel 718 tendeix a generar cristalls columnars que es desenvolupen en la direcció de construcció. Això fa que el material sigui anisòtrop. El canvi de la velocitat d'escaneig (600-1000 mm/s) i el gruix de la capa (30-50 μm) pot fer que la mida del gra passi de 500 μm a 100 μm, la qual cosa fa que la resistència a la tracció augmenti un 15%.
Sensibilitat a les microesquerdes: és probable que la fase (Ni ∝ (Al, Ti)) formi dipòsits desiguals quan es refreda ràpidament, cosa que pot provocar microesquerdes. Es poden eliminar més del 90% de les microesquerdes mitjançant un tractament tèrmic graduat (aïllament de 720 graus durant 8 hores, seguit de refrigeració per aire i aïllament de 620 graus durant 8 hores).
2. Adaptabilitat del procés: Triar un camí per a una implementació precisa
La precisió de la impressió en 3D de metall depèn tant del material com de com coincideix el tipus de procés. Els quatre processos comuns següents tenen nivells de precisió força diferents:
Benefici de precisió de fusió selectiva làser (SLM): el diàmetre del punt làser de SLM pot ser tan petit com 50 μm, el gruix de la capa pot ser d'entre 20 i 60 μm, la precisió dimensional pot ser tan alta com ± 0,05 mm i la rugositat superficial Ra pot ser tan baixa com 10 μm. Una empresa d'aviació va utilitzar SLM per imprimir les pales de la turbina, assegurant-se que la tolerància del perfil de les pales estigués dins de ± 0,03 mm, que és el que els motors d'aviació han de poder muntar.
Restriccions de material: perquè els materials amb alta reflectivitat (com el coure) absorbeixin més, cal que utilitzeu un làser verd (532 nm) o un làser blau (450 nm). Tanmateix, el cost de l'equip augmenta entre un 30% i un 50%.
Funcions de precisió de fusió del feix d'electrons (EBM): EBM treballa al buit amb molta densitat d'energia al feix d'electrons (fins a 10 ⁴ W/mm²), cosa que el fa bo per imprimir materials amb alts punts de fusió, inclosos els aliatges de titani. Un cert fabricant d'implants ortopèdics va utilitzar EBM per imprimir copes d'articulació de maluc. La rugositat superficial era Ra Menor o igual a 8 μm, no hi havia cap capa d'òxid i les copes eren més biocompatibles que les fetes amb mètodes tradicionals.
Control de l'estrès tèrmic: EBM pot escalfar peces a 700 graus centígrads, cosa que pot reduir l'estrès residual i la deformació en un 80%.
La deposició d'energia dirigida (DED) té un diàmetre de broquet de 0,8 a 2 mm, un gruix de capa de 0,5 a 2 mm, una precisió dimensional de ± 0,5 mm i una rugositat superficial de Ra20 a 100 μ m. Una determinada companyia de motors d'aviació va utilitzar DED per arreglar un disc de turbina. La capa de reparació i el substrat estan units amb una resistència metal·lúrgica de 400 MPa, que compleix els requisits del servei.
Avantatge de l'eficiència: DED té una velocitat de sedimentació de 200 cm³/h, que és més de 10 vegades la de SLM. Això fa que sigui bo per fixar o preformar peces enormes.
Adhesiu en aerosol (BJ)
Potencial de precisió: BJ té una precisió dimensional de ± 0,1 mm i una rugositat superficial de Ra20-60 μm. Tanmateix, s'ha de desgreixar (400-600 graus) i sinteritzar (1200-1300 graus) després del tractament, cosa que fa que es redueixi entre un 15% i un 20%. Una determinada empresa d'automòbils utilitza insercions de motlle impresos BJ i, un cop acabades, la mida es manté estable dins de ± 0,05 mm, que és el que es necessita per a la fabricació en massa.
Avantatge de cost: la peça única de BJ costa entre un 60% i un 70% menys que SLM, cosa que la fa bé per a situacions en què es necessita una precisió mitjana i gran escala.
3. Instància típica: Verificació pràctica de l'aplicació de discrepàncies de precisió
Fulles d'aliatge de titani per a motors d'avions Impressió mitjançant SLM
Una companyia d'aviació va utilitzar la tecnologia SLM per fabricar fulles d'aliatge de titani TC4. En millorar les tècniques d'escaneig (com l'escaneig en espiral) i les estructures de suport (com el suport de gelosia), la tolerància del perfil de la fulla va passar de ± 0,1 mm a ± 0,03 mm i la rugositat superficial va passar de Ra25 μ m a Ra8 μ m. Això va fer que el motor fos un 2% més eficient.
L'acer inoxidable 316L s'utilitza per a la implantació de dispositius mèdics. Impressió SLM
Una empresa ortopèdica va utilitzar SLM per imprimir plaques òssies d'acer inoxidable 316L. La tolerància d'obertura es va establir en ± 0,02 mm i, després del polit electrolític, la rugositat superficial Ra < 0,8 μ m va complir l'estàndard mèdic ISO 13485, reduint el temps que trigava a integrar-se l'os en un 30%.
Paquet de bateries per a un vehicle d'energia nova: AlSi10Mg imprès amb SLM
Una nova empresa de vehicles energètics empra suports de paquet de bateries impresos SLM per canviar la mida del gra afegint un element Sc del 0,5%, que redueix la taxa de fractura en calent del 15% al ​​0,5%. La força del bracket augmenta un 25% i el seu pes disminueix un 30% quan es tracta tèrmicament- amb T6 (envelliment en solució sòlida de 530 graus + 170 graus).