Per què el tractament tèrmic provoca un canvi dimensional en peces metàl·liques impreses en 3D
El motor principal és l'alliberament de l'estrès residual acumulat durant la fusió ràpida i la solidificació del procés SLM. A mesura que les tensions es relaxen durant l'escalfament, les peces es poden deformar, encongir-se o torçar-se.
Els factors addicionals inclouen:
Expansió i contracció tèrmica durant els cicles de calefacció/refrigeració.
Transformacions de fase que provoquen canvis de volum (p. ex., en aliatges de titani).
Influència de l'estructura de suport Els suports - poden restringir la distorsió en algunes àrees mentre que ho permeten en altres.
Una gàbia espinal Ti-6Al-4V sotmesa a alleujament de l'estrès a 800 graus va experimentar una deformació de 0,15 a 0,25 mm en els seus 80 mm de longitud. Això va ser suficient per empènyer les superfícies d'aparellament crítiques fora de tolerància.
Impressió 3D de metallEl canvi dimensional durant el tractament tèrmic és un resultat directe de la història tèrmica única de la fabricació additiva.
Quants canvis dimensionals hauríeu d'esperar realment?
Els rangs de distorsió típics per a l'alleujament de tensions estàndard són de 0,1 a 0,5% de canvi lineal, tot i que això varia significativament segons la geometria i el procés. Les geometries complexes, les parets primes i els llargs voladissos amplifiquen la distorsió. L'HIP tendeix a produir canvis més uniformes (però de vegades més grans) a causa de la pressió, mentre que un simple alleujament de l'estrès provoca una deformació més localitzada.
Taula de dades: Intervals de canvi dimensional típic
|
Material |
Alleujament de l'estrès |
HIP |
Solució Tractament i Envelliment |
Notes |
|
Ti-6Al-4V |
0.1–0.4% |
0.2–0.6% |
0.15–0.5% |
Sensible a la transformació de fase |
|
Inoxidable 316L |
0.05–0.25% |
0.1–0.3% |
N/A |
Relativament estable |
|
Aliatges de CoCr |
0.1–0.35% |
0.15–0.4% |
0.2–0.45% |
Efectes de carbur |
|
Inconel 718 |
0.08–0.3% |
0.1–0.35% |
0.1–0.4% |
Bona estabilitat |
|
AlSi10Mg |
0.2–0.7% |
Ús limitat |
N/A |
Màxima sensibilitat |
El postprocessament de la tolerància dimensional SLM requereix una planificació prèvia.
Material-per-Comportament dimensional del material sota tractament tèrmic
Ti-6Al-4V: altament sensible a causa de la transformació de fase / prop dels 882 graus (beta transus). La distorsió és freqüent si no es controla acuradament.
Acer inoxidable 316L: més estable però requereix evitar el rang de sensibilització (450-850 graus).
Aliatges de CoCr: canvis de volum per precipitació de carbur.
Inconel 718: Bona estabilitat dimensional però es beneficia de la fixació durant l'envelliment.
AlSi10Mg:-molt propens a la distorsió; limitat a temperatures més baixes.
17-4PH: contracció previsible durant l'envelliment.
Taula de dades: material-Comportament específic
|
Material |
Interval de temperatura típic |
Risc de canvi de fase |
Desplaçament lineal típic |
|
Ti-6Al-4V |
700-950 graus |
Alt |
0.1–0.5% |
|
316L |
600-1100 graus |
Mitjana |
0.05–0.3% |
|
AlSi10Mg |
200-300 graus |
Baixa |
0.2–0.7% |
El paper del disseny de peces en el control del canvi dimensional
El disseny intel·ligent redueix significativament el risc:
Mantenir un gruix de paret uniforme.
Utilitzar la simetria i la distribució equilibrada de masses.
Optimitzar les estructures de suport per limitar les àrees crítiques.
Orienteu les peces a la placa de construcció per minimitzar la distorsió del voladís.
Afegiu material de mecanitzat a funcions de-tolerància estreta.
Taula de dades: Característica de disseny vs risc de distorsió
|
Característica de disseny |
Risc de distorsió |
Estratègia de mitigació |
|
parets primes (<2mm) |
Alt |
Afegiu costelles o suports temporals |
|
Llargs voladissos |
Alt |
Optimitzar l'orientació + suports |
|
Geometria asimètrica |
Alt |
Equilibra la massa o utilitza fixació |
|
Seccions uniformes |
Baixa |
Alleujament estàndard de l'estrès |
El disseny d'impressió 3D de metall per al tractament tèrmic (DfAM) és essencial.
Controls de fixació i procés que minimitzen la distorsió
Els accessoris personalitzats restringeixen el moviment sense crear noves tensions.
Les velocitats de rampa controlades i el refredament lent són crítiques.
Les atmosferes de buit o de gas inert redueixen els problemes relacionats amb l'oxidació-.
L'HIP sovint produeix una contracció isòtropa en comparació amb el recuit lliure-.
Un fabricant que processava suports aeroespacials Inconel 718 va utilitzar accessoris de grafit personalitzats durant l'envelliment, reduint la dispersió dimensional de ±0,3 mm a ±0,08 mm en característiques de 150 mm.
Predicció del canvi dimensional
La simulació de distorsió basada en FEA-és útil, però requereix validació amb dades AM reals. La pre-compensació empírica (escalada o pre{3}}distorsió del STL) i la inspecció del primer-article són estàndard. Els principals proveïdors mantenen el material- i processen-bases de dades específiques.
Mecanitzat posterior al-tractament- tèrmic
El mecanitzat després del tractament tèrmic és la forma més fiable d'aconseguir toleràncies estrictes. Deixeu estoc de 0,2 a 1,0 mm segons la característica i el material. S'utilitzen habitualment acabats CNC, EDM i rectificat.
Taula de dades: estoc de mecanitzat recomanat
|
Tipus de característica |
Ti-6Al-4V |
316L |
Inconel |
|
Acoblament crític |
0,5-0,8 mm |
0,3-0,6 mm |
0,4-0,7 mm |
|
Superfícies generals |
0,3 mm |
0,2 mm |
0,3 mm |
Verificació dimensional després del tractament tèrmic
Utilitzeu CMM per a dimensions crítiques, escaneig 3D per mapejar desviació completa i centreu-vos en funcions de GD&T com la planitud, el paral·lelisme i la posició real que es veuen més afectades per la distorsió. Creeu una base de dades per a parts repetides.
Preguntes freqüents
El tractament tèrmic redueix les peces metàl·liques impreses en 3D?
Pot provocar contracció, expansió o deformació segons l'aliatge, el procés i la geometria. El més habitual és una lleugera contracció o distorsió localitzada.
Quin canvi dimensional hauria d'esperar després de l'alleujament de l'estrès de SLM Ti-6Al-4V?
Normalment 0,1-0,4% lineal, amb deformació de fins a 0,2-0,5 mm en peces més grans. Els valors exactes depenen de la geometria i dels paràmetres.
Es poden mecanitzar peces metàl·liques impreses en 3D després del tractament tèrmic?
Sí -, aquesta és una pràctica estàndard per assolir toleràncies estrictes finals.
Quina és la millor manera de controlar la distorsió durant el tractament tèrmic de les peces SLM?
Combineu un bon DfAM (seccions uniformes, suports), fixació adequada, velocitats de rampa controlades i estoc de post-mecanitzat.
HIP provoca més canvis dimensionals que el recuit d'alleujament de l'estrès?
La maluc sovint provoca una contracció més uniforme a causa de la pressió, però pot ser més previsible que la deformació de recuit lliure.
Com puc verificar la precisió dimensional després de tractar tèrmicament una peça metàl·lica impresa en 3D?
Utilitzeu CMM, escaneig 3D i compareu amb mesures pre- i post-tractament amb GD&T adequat.