Jakie są trudności w kontrolowaniu błędów wymiarowych metalowych form do druku 3D?

1. Rozbieżność wymiarowa spowodowana skurczem materiału i naprężeniem termicznym
Podczas procesu drukowania 3D materiały metalowe przechodzą zmianę fazy stałej-ciekłej-stałej. Współczynnik rozszerzalności cieplnej i stopień skurczu to główne czynniki wpływające na dokładność wymiarów. Na przykład, używając często używanych materiałów:

Stal nierdzewna (np. 316L): Stopień skurczu przy chłodzeniu wynosi około 4%. Jeśli na etapie modelowania nie zostanie wykonana odwrotna korekta, forma o długości 100 mm może skurczyć się do 96 mm, co wykracza poza zakres tolerancji ± 0,1 mm.
Stopy tytanu (takie jak Ti-6Al-4V) kurczą się o około 2%, ale naprężenia termiczne narastają szybciej, co może łatwo spowodować wypaczenie, szczególnie w budynkach o cienkich ścianach lub wspornikach.
Przełamanie trudności: Aby znaleźć rzeczywisty stopień skurczu, należy użyć narzędzi inżynierii odwrotnej, takich jak Geomagic Control X. Podczas etapu modelowania należy również użyć wzoru „rozmiar skompensowany=rozmiar projektowy ÷ (1- stopień skurczu)”. Przykładowo formy wykonane ze stali nierdzewnej muszą być o 4,2% większe (100 mm → 104,2 mm), a formy wykonane ze stopów tytanu muszą być o 2,04% większe (100 mm → 102,04 mm). Technologia kompensacji kierunkowej może również poradzić sobie z trudnymi scenariuszami, gdy stopień skurczu w osi Z jest o 10% większy niż w osi XY w procedurach SLM.

2. Doskonalenie parametrów procesu: technika równoważenia gęstości energii i grubości warstwy
Aby druk 3D z metalu był dokładny, parametry takie jak moc lasera, prędkość skanowania i grubość warstwy muszą być kontrolowane w skoordynowany sposób. Jakakolwiek zmiana parametru może powodować problemy wymiarowe.

Niewystarczająca gęstość energii: Jeśli moc lasera jest zbyt niska lub prędkość skanowania jest zbyt duża, proszek nie topi się całkowicie, co powoduje niepełne defekty stopienia. Osłabia to wiązanie pomiędzy warstwami i sprawia, że ​​rozmiar obiektu jest mniej stabilny.
Wysoka gęstość energii: Jeśli moc lasera zmieni się o więcej niż 5%, roztopiony basen mocno się rozpryskuje, a ciekły metal zamienia się w okrągłe cząstki na niestopionym proszku. To powoduje, że powierzchnia jest nierówna i zmienia się jej rozmiar.
Wybór grubości warstw: Grubość warstwy 0,1 mm może zwiększyć wydajność, ale wzory są wyraźne, a chropowatość Ra jest większa niż 5 μm. Grubość warstwy 0,03-0,05 mm może sprawić, że chropowatość Ra<3 μ m, but it will take more than three times longer to print.
Studium przypadku: Firma lotnicza wykorzystała technologię SLM do drukowania łopatek turbin. Zastosowali eksperymenty ortogonalne, aby znaleźć najlepszą kombinację parametrów: moc lasera 300 W, prędkość skanowania 1200 mm/s, grubość warstwy 0,05 mm i krzyżową ścieżkę skanowania (skanowanie sąsiadujących warstw wzdłuż osi X/Y). Tolerancję wymiarową udało się skutecznie utrzymać w granicach ± ​​0,05 mm, zgodnie ze standardami lotniczymi.

3. Dokładność sprzętu: od kalibracji sprzętu po sterowanie ruchem
Fizyczną podstawą kontroli wielkości jest precyzja sprzętu. Aby to osiągnąć, konieczne jest współdziałanie trzech obszarów w celu ulepszenia: struktury mechanicznej, układu ruchu i czujników.

Poziomość platformy: Jeśli platforma drukująca nie jest wypoziomowana, warstwy mogą nie mieć tej samej grubości, co może powodować, że wymiary będą „grube z jednej strony i cienkie z drugiej”. Aby mieć pewność, że różnica odczytu między pięcioma punktami (cztery rogi plus środek) na platformie jest mniejsza lub równa 0,05 mm, potrzebny jest czujnik zegarowy z dokładnością do 0,01 mm.
Pomiędzy śrubą pociągową a szyną prowadzącą znajduje się odstęp: Jeśli odstęp jest zbyt duży, głowica drukująca przesunie się za daleko. Jeśli każesz mu przesunąć się o 10 mm, w rzeczywistości przesunie się o 10,02 mm. Aby znaleźć błąd w rozstawie otworów, należy wydrukować płaską płytkę z wieloma małymi otworami (o średnicy 5 mm i odległości od siebie 20 mm) i użyć współrzędnościowego narzędzia pomiarowego. Następnie możesz rozwiązać problem, korzystając z „elektronicznego przełożenia” oprogramowania urządzenia.
Kalibracja średnicy plamki lasera: Jeśli ustawisz źle średnicę plamki (na przykład, jeśli w rzeczywistości wynosi ona 0,1 mm, ale program podaje, że wynosi 0,08 mm), może wystąpić „przepalenie” lub „niedopalenie”. Wydrukuj linię prostą o długości 10 mm, następnie zmierz rzeczywistą szerokość i porównaj z tym, co mówi program. Musisz naprawić błąd, jeśli jest większy niż 0,02 mm.
4. Projekt konstrukcji nośnej: znalezienie właściwej równowagi pomiędzy wytrzymałością a łatwością demontażu
Konstrukcja nośna to nie tylko „szkielet”, który zapobiega zmianie kształtu modelu, ale może być również przyczyną błędów wymiarowych:

Zbyt duża przestrzeń między podporami: Jeśli przestrzeń między podpórkami na zawieszonych częściach (np. wspornik 5 mm) jest większa niż 3 mm, przedmiot może opadać podczas drukowania, co powoduje różnice w rozmiarze.
Duży kąt podparcia: jeśli kąt między podporą a częścią jest mniejszy niż 45 stopni, zdjęcie podpory może łatwo „wyciągnąć” i zmienić kształt części, szczególnie jeśli jest ona-cienka (grubość<2mm).
Niewystarczająco mocny dół podpory: Jeśli dolna część podpory nie ma o 50% większej średnicy niż górna część, części mogą łatwo przechylić się z powodu nierównomiernego naprężenia.
Nowy sposób rozwiązania problemu:
Stosowanie metod optymalizacji topologii w celu tworzenia lekkich konstrukcji wsporczych, które są mocne, ale wymagają mniej materiału; wymagają wyrafinowanych narzędzi, takich jak ultradźwiękowe ostrza tnące, aby zdjąć podpory i uniknąć zniekształceń spowodowanych uderzeniami młotka. Udoskonalając konstrukcję wspornika, jednemu z producentów form do samochodów udało się zwiększyć tolerancję wymiarową-części cienkościennych z ± 0,2 mm do ± 0,08 mm.

5. Kontrola środowiska: niewidoczne skutki temperatury i wilgotności
Ludzie zazwyczaj nie zastanawiają się, jak warunki środowiskowe wpływają na stabilność wymiarową druku 3D z metalu:

Zmiany temperatury: Zmiany temperatury w warsztacie o więcej niż 5 stopni (na przykład 25 stopni w dzień i 18 stopni w nocy) mogą powodować rozszerzanie się i kurczenie sprzętu, co może powodować zmianę rozmiaru. Należy zainstalować klimatyzację, która utrzyma temperaturę na poziomie 22 ± 2 stopnie.
Absorpcja wilgoci w proszku: Jeśli proszek metalowy ma więcej niż 0,1% wilgoci, podczas druku utworzą się pory, co spowoduje niestabilność wymiarów. Zaglomerowany proszek przesiać na sito o oczkach 80 mesh i suszyć w piekarniku nagrzanym na 80 stopni przez 2 godziny.