Jakie problemy będą miały metalowe części drukowane w 3D, jeśli-nie zostanie przeprowadzona obróbka końcowa?

1. Wady powierzchni: reakcja łańcuchowa od „chropowatości” do „awarii funkcjonalnej”.
Metalowe obiekty drukowane 3D zwykle mają początkowo złą jakość powierzchni, co wiąże się z poważnymi problemami, takimi jak nakładanie się warstw, zadziory i porowatość. Na przykład w procesie SLM (Selective Laser Melting) warstwy układane są jedna na drugiej, tworząc części. Tworzy to duży „efekt schodkowy” na powierzchni przedmiotu, czyniąc go bardziej chropowatym niż obróbka standardowa, która ma chropowatość (wartość Ra) 10–20 mikronów, czyli znacznie więcej niż 0,8–3,2 mikrona w przypadku tradycyjnej obróbki. Ta szorstka powierzchnia nie tylko zmienia wygląd rzeczy, ale także powoduje szereg problemów funkcjonalnych:

Koncentracja naprężeń i inicjacja pęknięć: Wady powierzchniowe mogą powodować powstawanie miejsc koncentracji naprężeń, co przyspiesza rozprzestrzenianie się pęknięć, gdy materiał jest obciążany lub podgrzewany. Przykładowo przed piaskowaniem trwałość zmęczeniowa danej łopatki turbiny silnika lotniczego wynosi tylko 30% tego, co powinna. Po piaskowaniu trwałość zmęczeniowa wzrasta do ponad 90%.
Mniejsza odporność na korozję: Chropowata powierzchnia ułatwia przedostawanie się materiałów korozyjnych. Na przykład niepolerowane części ze stali nierdzewnej 316L wykazały oznaki korozji w ciągu 24 godzin od przeprowadzenia testu w komorze solnej. Jednak po polerowaniu elektrolitycznym części były w stanie wytrzymać korozję przez ponad 500 godzin.
Wyższy współczynnik tarcia: Kiedy dwie powierzchnie stykają się i ślizgają względem siebie, chropowatość powierzchni ma bezpośredni wpływ na skuteczność tarcia. Gdy części wału skrzyni biegów w danym samochodzie nie zostały obrobione z ultraprecyzyjną obróbką, współczynnik tarcia wzrósł do 0,15, co oznaczało wzrost zużycia energii o 12%. Po ultraprecyzyjnej obróbce współczynnik tarcia spadł do 0,03, a zużycie energii spadło do wartości projektowej.
2, 2, Wady wewnętrzne: od „ukrytego zabójcy” do „katastrofalnej awarii”, ukrytego kryzysu
Podczas procesu drukowania 3D z metalu naprężenia termiczne i brak stopienia proszku z metalem mogą powodować problemy, takie jak wewnętrzna porowatość i pęknięcia. Jeśli te wady nie zostaną naprawione podczas-przetwarzania końcowego, części staną się bardzo zawodne.

Zbyt duża porowatość: Badanie wykazało, że części Ti-6Al-4V, które nie zostały poddane prasowaniu izostatycznemu na gorąco (HIP), mogą mieć porowatość od 0,5% do 1%. Po obróbce HIP porowatość można zmniejszyć do mniej niż 0,01%. Wysoka porowatość może sprawić, że część będzie mniej gęsta, co zwiększa prawdopodobieństwo pęknięcia pod obciążeniem dynamicznym.
Naprężenia szczątkowe wymknęły się spod kontroli: podczas drukowania część może wytworzyć naprężenia szczątkowe, jeśli szybko się nagrzeje i ostygnie. W jednej z sytuacji podczas wykonywania form części, które nie zostały-odprężone przed użyciem, wypaczyły się i zmieniły kształt, co oznaczało, że formę trzeba było wyrzucić. Po wyżarzaniu stabilność wymiarowa części poprawiła się o 90%.
Organizacja, która nie jest równa: proces topienia w złożu proszkowym może powodować znaczne różnice w wielkości ziaren w różnych częściach części. Lokalny rozmiar ziaren osiągnął 100 mikronów, gdy pewna część konstrukcji samolotu nie została potraktowana roztworem. Jednak po obróbce roztworem wielkość ziaren stała się wyrównana i wynosiła od 20 do 30 mikronów, a odporność zmęczeniowa wzrosła trzykrotnie.
3. Spadek wydajności: różnica w wydajności pomiędzy „zgodnością projektu” a „faktyczną awarią”
Nawet jeśli wymiary geometryczne części spełniają kryteria projektowe, ich właściwości mechaniczne mogą jednak być znacznie niższe od oczekiwanych, jeśli-nie zostanie przeprowadzona obróbka końcowa:

W badaniu przyjrzano się nieobrobionym i-obrobionym cieplnie częściom ze stali nierdzewnej 316L. Ustalono, że wytrzymałość na rozciąganie nieobrobionych części była zgodna z wartością projektową, ale wydłużenie stanowiło tylko 60% wartości projektowej. Po obróbce cieplnej wydłużenie wróciło do wartości projektowej.
Twardość nie jest równomiernie rozłożona: Części wykonane techniką bezpośredniego osadzania energii (DED) zwykle mają gradienty twardości. Twardość powierzchniowa pewnej wkładki formy przed azotowaniem wynosiła zaledwie 35 HRC, ale po obróbce wzrosła do 58 HRC, a odporność na zużycie wzrosła 5-krotnie.
Niewystarczająca stabilność termiczna:-część ze stopu wysokotemperaturowego, która nie została poddana starzeniu, straciła 20% swojej twardości po 100 godzinach pracy w temperaturze 650 stopni. Jednak po obróbce starzenia procent utrzymania twardości wzrósł do ponad 95%.
4. Koszt ekonomiczny: koszty wymykające się spod kontroli, od „częściowej przeróbki” po „całkowite wyłączenie”.
Brak przetwarzania końcowego-nie tylko pogarsza działanie części, ale także wywołuje reakcję łańcuchową na gospodarkę:

Koszt przeróbek znacznie wzrósł. Jeden z producentów części samochodowych wyrzucił całą partię części, ponieważ nie przeprowadził-żadnej obróbki końcowej, a koszty przeróbek stanowiły 35% całkowitej wartości zamówienia. Jeśli jednak-testy nieniszczące i naprawy zostaną wykonane zaraz po wydrukowaniu, koszt może utrzymać się w granicach 5%.
Dłuższy cykl produkcyjny: Ponieważ pewna część konstrukcji lotniczej nie została poddana wymaganej obróbce zmniejszającej naprężenia, uległa wygięciu podczas montażu. Spowodowało to zatrzymanie całej linii produkcyjnej na dwa tygodnie, co kosztowało firmę 2 miliony dolarów.
Reputacja marki została nadszarpnięta: producent implantów medycznych nie wypolerował powierzchni swoich produktów, co doprowadziło do 15% wzrostu liczby wycofań, 25% utraty klientów i niezmierzonej utraty wartości marki.