Quins factors determinaran la solució de post-processament per a la impressió 3D de metall?

1. Propietats del material: límits bàsics per al-postprocessament
La composició, la microestructura i les propietats termofísiques dels materials metàl·lics d'impressió 3D dicten directament la trajectòria tècnica i els paràmetres de procés del post-processament.
Les propietats de la composició del material i les transicions de fase
Els metalls variables tenen temperatures de transició de fase molt variables, coeficients d'expansió tèrmica i sensibilitats a l'oxidació. Per exemple, l'aliatge de titani (Ti6Al4V) tendeix a reaccionar amb l'oxigen per formar una capa d'òxid fràgil a temperatures superiors als 600 graus, de manera que el tractament tèrmic s'ha de fer en un ambient de buit o gas inert. Els aliatges d'alta-temperatura basats en níquel-(com l'Inconel 718) tenen molts elements d'aliatge i necessiten un control gradual de la precipitació de la fase mitjançant tractament amb solució (aïllament de 980-1020 graus durant 1 hora) i tractament d'envelliment (aïllament de 720 graus durant 8 hores) per trobar un equilibri entre resistència i duresa.
Densitat i propietats de la pols
La densitat inicial dels articles impresos es veu afectada per la mida de les partícules, el bon flux que tenen i la puresa de la pols. Per exemple, les peces d'aliatge d'alumini impreses amb pols esfèrica que té una mida de partícula de 15-45 μm poden tenir una porositat inicial del 3% al 5%. Per fer-los més densos del 99,9%, han de ser premsats isostàtics en calent (HIP) a 1200 graus i 100 MPa. És possible que les peces impreses amb pols a nanoescala només s'hagin de recuit per desfer-se de l'estrès intern perquè es sintereixen molt ràpidament.
Control que no és el mateix en totes direccions
La manera com la impressió 3D metàl·lica apila les capes unes sobre les altres li confereix propietats mecàniques anisòtropes. Per exemple, la resistència a la tracció de l'acer inoxidable 316L és d'un 10% a un 15% més baixa al llarg de la direcció d'impressió (eix Z-) que al llarg de la direcció vertical (eix XY). El tractament tèrmic, com mantenir a 750 graus durant 2 hores i després apagar-lo amb aigua, pot ajudar els grans a recristalitzar, reduir l'anisotropia fins al 5% i fer que les peces estructurals siguin consistents.
2. Part dels requisits funcionals: post-processament amb un objectiu en ment
El pla de post-processament hauria d'estar molt centrat en com s'utilitzaran les peces al final i millorar les mètriques de rendiment en funció d'això.
Millora del rendiment mecànic
Necessitat d'alta resistència: el disc de la turbina del motor aeroespacial ha de suportar temperatures extremes de 1000 graus i tensions de 1000 MPa. La resistència a la tracció s'ha d'elevar fins a superar els 1200 MPa mitjançant el mètode compost HIP + tractament tèrmic (després d'un envelliment de 1220 graus / 150 MPa HIP, 1080 graus de solució sòlida +720 grau).
Estàndards alts de duresa: els implants ortopèdics, incloses les pròtesis de maluc, han de ser forts i capaços de suportar el desgast. El recuit (mantenir a 700 graus durant 4 hores i després refredar-se lentament) pot augmentar la taxa d'allargament del 15% al ​​25% i reduir el risc de fractura fràgil.
Millor resistència a la corrosió
Les peces d'acer inoxidable 316L utilitzades en enginyeria marítima han de poder resistir la corrosió de l'esprai de sal durant molt de temps. El temps de resistència a l'esprai de sal es pot augmentar de 240 hores a 2000 hores utilitzant tant polit electroquímic (que elimina la capa d'òxid superficial) com anoditzat (que forma un recobriment d'òxid de 10 μm de gruix). Això compleix els requisits de la norma ISO 9227.
Millora de la qualitat de la superfície
El sector de l'electrònica de consum té regles estrictes sobre com haurien de ser les peces. Per fer que la superfície sigui menys rugosa, s'han de polir en diversos passos (esbaixat → polit fi → polit mirall) fins que sigui Ra0,2 μm o inferior. El tractament de sorra (partícules de sorra d'alúmina de 200 malles) s'aplica al mateix temps per crear un acabat mat uniforme que compleix els estàndards de disseny.
3. Restriccions al procés de fabricació: el límit del que es pot fer després del processament
Les especificacions del procés d'impressió i les capacitats de l'equip limiten immediatament les opcions de les tecnologies de post{0}}processament.
Control de l'estrès residual
La tècnica de fusió del llit de pols làser (LPBF) deixa enrere tensions residuals que poden arribar al 70% del límit elàstic del material perquè es refreda tan ràpidament. El recuit d'alleujament d'estrès (aïllament a 500-600 graus durant 2 hores) s'ha de fer just després de la impressió. Si no és així, les peces podrien deformar-se o esquerdar-se en tallar-les o mecanitzar-les. La tecnologia de fusió de feix d'electrons (EBM) té menys tensió residual, ja que escalfa el substrat a més de 600 graus abans de fondre'l. Això facilita el-procés de postprocessament.
Retirant l'estructura de suport
El disseny de suport per a peces estructurals complicades, com les cambres de combustió dels motors d'aviació, ha de trobar un compromís entre l'estabilitat durant la impressió i la facilitat d'ús després de la impressió. L'ús de materials de suport-solubles en aigua pot facilitar la seva eliminació. D'altra banda, els suports metàl·lics s'han de tractar amb tall de filferro (amb una precisió de ± 0,05 mm) o gravat químic (per a microestructures) per evitar danys a la superfície causats pel tall mecànic.
Garantia de precisió dimensional
El gruix de la capa d'impressió (normalment de 20 a 100 μ m) i l'enfocament d'escaneig (com l'escaneig de taulers d'escacs) afecten la precisió de les peces. Per a les peces que necessiten una tolerància de ± 0,02 mm a la superfície d'acoblament, es necessita un mecanitzat d'enllaç de cinc -eixos (com ara el fresat i el rectificat) després del tractament tèrmic. No obstant això, les peces estructurals simples poden obtenir una precisió superficial de Ra3,2 μ m amb sorra i mòlta.
4. Balanç cost-benefici: factors econòmics que cal tenir en compte després del processament
La solució de post-processament ha de trobar el millor equilibri entre la reducció de costos i la millora del rendiment.
Optimització de costos unitaris
Quan es fan molts implants mèdics, el tractament HIP pot fer que durin més, però el cost per unitat augmenta entre un 30% i un 50%. En canviar la configuració d'impressió (com ara augmentar la densitat de potència del làser) per reduir la porositat inicial, les necessitats de processament de HIP es poden reduir a la meitat, la qual cosa estalvia molts diners.
Retorn de la inversió en equipament
Les empreses aeroespacials han de gastar milions de dòlars en equips HIP per processar peces d'aliatge d'alta -temperatura. Per evitar tenir actius fixos inactius, poden treballar amb proveïdors de serveis de post-processament experts i cobrar per peça (cost de processament per peça) entre 500 i 2000.
Millora de l'eficiència del cicle
Es triga de 7 a 10 dies a fabricar motlles de cotxe mitjançant la tècnica "impressió + recuit + mecanitzat de precisió". Però optimitzant el procediment de tractament tèrmic (per exemple, augmentar ràpidament la temperatura a 750 graus i mantenir-lo allà durant una hora), el cicle es pot reduir a 5 dies, cosa que fa que el lliurament sigui més ràpid.