Czy istnieje znacząca różnica w dokładności druku 3D pomiędzy różnymi materiałami metalowymi?

1. Właściwości materiału: właściwości fizyczne i chemiczne wpływające na możliwość dokładności
Precyzja druku 3D z materiałów metalowych wynika głównie z wzajemnego oddziaływania termodynamicznego zachowania materiału podczas procesu topienia i krzepnięcia oraz zarządzania procesem. Zmiany właściwości następujących czterech popularnych materiałów bezpośrednio wpływają na dokładność ich wydruków:
Stop tytanu (np. TC4/Ti-6Al-4V)
Stopy tytanu są mocne, lekkie i odporne na rdzę, jednak można je drukować dokładnie tylko z dwóch głównych powodów:
Wysoki współczynnik skurczu termicznego: TC4 ma współczynnik rozszerzalności liniowej 8,6 × 10 ⁻⁶/stopień, co oznacza, że ​​po szybkim ochłodzeniu może łatwo wywołać naprężenia własne, co może spowodować wypaczenie i zmianę kształtu części. Na przykład, jeśli nie zastosujesz prasowania izostatycznego na gorąco (HIP) po wydrukowaniu formy na łopatkę silnika lotniczego, wymiary mogą różnić się nawet o ± 0,3 mm. Po obróbce HIP wymiary mogą różnić się nawet o ± 0,05 mm.
Niski współczynnik absorpcji lasera: stop tytanu może odbijać do 60% światła lasera, dlatego do równomiernego stopienia wymaga dużej gęstości energii (zwykle > 100 W/mm²). Jednakże zbyt duża energia może spowodować rozpryskiwanie i zmianę chropowatości powierzchni. Chropowatość powierzchni można obniżyć z Ra25 μm do Ra10 μm zmieniając technikę skanowania (np. skanując szachownicą).
Jednym z przykładów jest stal nierdzewna 316L.
Stal nierdzewna ma duże okno technologiczne i jest mało wrażliwa na pęknięcia termiczne, co sprawia, że ​​lepiej nadaje się do druku:
Stabilny szeroki basen stopu: 316L topi się w temperaturze 1375 stopni, a stały basen stopu można wytworzyć przy mocy lasera od 50 do 200 W i dokładności wymiarowej ± 0,05 mm. Firma produkująca wyroby medyczne wykorzystała technologię SLM do drukowania płytek kostnych z tolerancją apertury ± 0,02mm, która spełniała wymagania przy składaniu implantów ortopedycznych.
Jednolitość organizacji: austenityczny charakter 316L sprawia, że ​​jest mniej prawdopodobne, że rozdzieli się podczas procesu drukowania. W przypadku stosowania z obróbką roztworem stałym (izolacja w temperaturze 1050 stopni przez 1 godzinę i hartowanie w wodzie) można naprawić błędy wiązania międzywarstwowego, co zwiększa trwałość zmęczeniową o 30%.
Stop aluminium, taki jak AlSi10Mg
Największym problemem związanym z drukowaniem stopu aluminium jest to, że ma on wysoką przewodność cieplną i jest podatny na pękanie, gdy nagrzewa się.
Pęknięcia powstają, gdy coś szybko się ochładza: AlSi10Mg ma przewodność cieplną 150 W/(m·K), a jeziorko stopu może ochładzać się z szybkością 10⁶ stopnia/s, co ułatwia powstawanie gorących pęknięć na granicach ziaren. Dodanie 0,5% pierwiastka Sc może spowodować, że wielkość ziaren będzie mniejsza niż 1 μm, co obniża współczynnik pęknięć z 15% do 0,5%.
Wpływ powierzchniowej warstwy tlenku: Powierzchnia aluminium prawdopodobnie utworzy grubą warstwę tlenku (Al ₂ O3), co powoduje, że proszek nie przepływa dobrze i oznacza, że ​​drukowanie musi odbywać się w osłonie próżniowej gazu obojętnego. Po udoskonaleniu układu cyrkulacji gazu chropowatość powierzchni wspornika akumulatora nowego pojazdu energetycznego wzrosła z Ra50 μm do Ra15 μm.
Stopy wysokotemperaturowe-na bazie niklu-takie jak Inconel 718
Wyzwaniem stojącym-stopach wysokotemperaturowych jest kontrolowanie mikrostruktury w bardzo wysokich temperaturach:
Tendencja do wzrostu kryształów kolumnowych: Podczas drukowania Inconel 718 ma tendencję do tworzenia kryształów kolumnowych, które rozwijają się w kierunku konstrukcyjnym. To sprawia, że ​​materiał jest anizotropowy. Zmiana prędkości skanowania (600–1000 mm/s) i grubości warstwy (30–50 μm) może spowodować zmianę wielkości ziaren z 500 μm na 100 μm, co powoduje wzrost wytrzymałości na rozciąganie o 15%.
Wrażliwość na mikropęknięcia: Faza '(Ni ∝ (Al, Ti)) prawdopodobnie tworzy nierówne osady, gdy szybko się ochładza, co może powodować mikropęknięcia. Ponad 90% mikropęknięć można usunąć stosując stopniowaną obróbkę cieplną (izolacja w temperaturze 720 stopni przez 8 godzin, następnie chłodzenie powietrzem i izolacja w temperaturze 620 stopni przez 8 godzin).
2. Adaptowalność procesu: Wybór ścieżki precyzyjnej realizacji
Precyzja druku 3D z metalu zależy zarówno od materiału, jak i dopasowania rodzaju procesu. Następujące cztery typowe procesy mają zupełnie różne poziomy dokładności:
Laserowe selektywne topienie (SLM) Precyzja: średnica plamki lasera w SLM może wynosić zaledwie 50 μm, grubość warstwy może wynosić od 20 do 60 μm, dokładność wymiarowa może wynosić nawet ± 0,05 mm, a chropowatość powierzchni Ra może wynosić zaledwie 10 μm. Firma lotnicza użyła SLM do wydrukowania łopatek turbin, upewniając się, że tolerancja profilu łopatki mieści się w granicach ± ​​0,03 mm, czyli tyle, ile muszą móc złożyć silniki lotnicze.
Ograniczenia materiałowe: Aby materiały o wysokim współczynniku odbicia (np. miedź) pochłaniały więcej, należy użyć lasera zielonego (532 nm) lub lasera niebieskiego (450 nm). Jednak koszt sprzętu wzrasta o 30% do 50%.
Funkcje dokładności topienia wiązką elektronów (EBM): EBM działa w próżni przy dużej gęstości energii w wiązce elektronów (do 10 ⁴ W/mm ²), co sprawia, że ​​dobrze nadaje się do drukowania materiałów o wysokich temperaturach topnienia, w tym stopów tytanu. Pewien producent implantów ortopedycznych użył EBM do wydrukowania misek stawu biodrowego. Chropowatość powierzchni wynosiła Ra mniejsza lub równa 8 μm, nie było warstwy tlenku, a panewki były bardziej biokompatybilne niż te wykonane tradycyjnymi metodami.
Kontrola naprężeń termicznych: EBM może ogrzać części do 700 stopni Celsjusza, co może zmniejszyć naprężenia szczątkowe i wypaczenia o 80%.
Directed Energy Deposition (DED) ma średnicę dyszy od 0,8 do 2 mm, grubość warstwy od 0,5 do 2 mm, dokładność wymiarową ± 0,5 mm i chropowatość powierzchni od Ra20 do 100 μm. Pewien producent silników lotniczych użył DED do naprawy tarczy turbiny. Warstwa naprawcza i podłoże są ze sobą łączone z wytrzymałością metalurgiczną 400 MPa, co spełnia wymagania serwisowe.
Zaleta wydajności: DED charakteryzuje się szybkością sedymentacji 200 cm3/h, czyli ponad 10 razy większą niż SLM. Dzięki temu nadaje się do mocowania lub wstępnego formowania dużych elementów.
Klej w sprayu (BJ)
Potencjał precyzji: BJ ma dokładność wymiarową ± 0,1 mm i chropowatość powierzchni Ra20-60 μm. Jednak po obróbce wymaga odtłuszczenia (400-600 stopni) i spieczenia (1200-1300 stopni), co powoduje jego skurczenie o 15% do 20%. Pewna firma samochodowa stosuje wkładki do form z nadrukiem BJ i po ich wykończeniu rozmiar pozostaje stabilny w granicach ± ​​0,05 mm, co jest wymagane w masowej produkcji.
Przewaga kosztowa: pojedynczy element BJ kosztuje od 60% do 70% mniej niż SLM, co sprawia, że ​​sprawdza się w sytuacjach, w których wymagana jest średnia precyzja i duża skala.
3. Typowy przykład: Praktyczna weryfikacja rozbieżności dokładności
Łopatki ze stopu tytanu do silników lotniczych. Druk metodą SLM
Jedna z firm lotniczych zastosowała technologię SLM do produkcji ostrzy ze stopu tytanu TC4. Dzięki udoskonaleniu technik skanowania (takich jak skanowanie spiralne) i konstrukcji wsporczych (takich jak podpora kratowa) tolerancja profilu ostrza wzrosła z ± 0,1 mm do ± 0,03 mm, a chropowatość powierzchni wzrosła z Ra25 μm do Ra8 μm. Dzięki temu silnik był o 2% bardziej wydajny.
Do implantacji wyrobów medycznych stosowana jest stal nierdzewna 316L. Druk SLM
Firma ortopedyczna użyła SLM do wydrukowania płytek kostnych ze stali nierdzewnej 316L. Tolerancję apertury ustalono na ± 0,02 mm, a po polerowaniu elektrolitycznym chropowatość powierzchni Ra < 0,8 µm spełniała wymagania normy medycznej ISO 13485, skracając czas integracji kości o 30%.
Pakiet akumulatorów do nowego pojazdu energetycznego: AlSi10Mg Wydrukowany metodą SLM
Nowa firma produkująca pojazdy energetyczne wykorzystuje wsporniki akumulatorów z nadrukiem SLM w celu zmiany wielkości ziaren poprzez dodanie 0,5% pierwiastka Sc, który obniża współczynnik pękania na gorąco z 15% do 0,5%. Wytrzymałość zamka wzrasta o 25%, a jego waga spada o 30% po obróbce cieplnej-T6 (starzenie w temperaturze 530 stopni w roztworze stałym + 170 stopni).