Ali velikost delcev kovinskega prahu vpliva na kakovost tiskanja kalupov?

一 Način, kako velikost delcev vpliva na kakovost tiskanja: sinergijski učinek na več kot en način
1. Prah se enakomerno porazdeli: Gostota plasti prahu temelji na velikosti delcev.
Prvi korak pri 3D tiskanju kovin je porazdelitev prahu in to, kako enakomerna je, neposredno vpliva na začetno kakovost kalupa. Majhni delci prahu (manj kot 15 μm) se radi zlepijo skupaj, ker imajo veliko površinsko energijo. To lahko povzroči praznine ali kepe v plasti prahu. Po drugi strani pa lahko, če so delci preveliki (več kot 53 μm), dobro tečejo, vendar omejujejo najmanjšo debelino plasti, zaradi česar je težko izdelati fine elemente, kot so tanko{6}}strukture. Na primer, pri uporabi prahu iz nerjavečega jekla 316L z delci, ki so veliki od 15 do 45 μm v procesu SLM, se lahko debelina plasti prahu ohranja med 30 in 50 μm, gostota plasti prahu pa lahko doseže 99,2 %. Ko pa gre velikost delcev nad to območje, se poroznost močno poveča.
Enako pomembna je razumnost porazdelitve velikosti delcev. Uporaba bimodalne porazdelitve (mešanje grobih in finih delcev) pomaga izboljšati gostoto pakiranja prahu. Drobni delci zapolnijo prostore med grobimi delci, kar poveča gostoto ohlapnega pakiranja za 10% do 15%. To zmanjša notranje napake v kalupu. Z izboljšanjem razmerja velikosti delcev v prahu Ti6Al4V (D50=35 μ m, D90=50 μ m) je določeno letalsko podjetje povečalo gostoto kalupov turbinskih lopatic z 98,5 % na 99,7 % in življenjsko dobo ob utrujenosti za 20 %.
2. Stabilnost bazena: ravnotežje med velikostjo delcev in absorpcijo energije, ki se sčasoma spreminja
Staljeni bazen je glavni del, kjer se tali kovinski prah, njegova stabilnost pa je odvisna od tega, kako dobro prah absorbira energijo laserskega/elektronskega žarka. drobni delci imajo veliko specifično površino in hitro absorbirajo toploto. Vendar pa premajhni pudri (npr<10 μ m) can splash because to thermal stress concentration, which can cause porosity or incomplete fusing flaws. To thoroughly melt coarse particles, you need more energy, and not enough energy can make the layers stick together poorly. For instance, when printing with AlSi10Mg aluminum alloy, powders with a particle size of 20–50 μ m may make a stable melt pool at a laser power of 200W. However, when the particle size is>60 μm se stopnja delnih fuzijskih napak povzpne do 15 %.
Neenakomerna porazdelitev velikosti delcev lahko povzroči tudi neenakost v toplotni prevodnosti na določenih območjih, kar lahko prispeva k koncentraciji preostale napetosti. Študija je pokazala, da uporaba prahu Inconel 718 s široko porazdelitvijo velikosti delcev (10–100 μm) za kalupe za tiskanje poveča preostalo napetost za 30 % v primerjavi z omejeno porazdelitvijo (20–50 μm). Zaradi tega je tveganje za deformacijo zvijanja veliko večje.
3. Kakovost in natančnost površine: neposredni nadzor velikosti delcev na hrapavosti
Hrapavost površine kalupa je dober način za povedati, kako dobro poteka tiskanje, saj je neposredno sorazmerna z velikostjo delcev prahu. Manjši kot so delci, bolj gladka je površina. Če pa je prah preveč fin, se ne razliva dobro in lahko povzroči neenakomerno širjenje prahu, zaradi česar je površina bolj hrapava. Na primer, če uporabljate kalupe za prašno tiskanje 316L z D50 25 μm, lahko površinsko hrapavost Ra ohranite znotraj 8 μm. Če pa uporabite prah z D50 15 μm, bo vrednost Ra presegla 15 μm, ker se delci zlepijo.
Pri izbiri velikosti delcev za kompleksne konstrukcijske kalupe (takšne konformne hladilne kanale) morate najti kompromis med natančnostjo in enostavnostjo uporabe. Eno podjetje, ki izdeluje kalupe za avtomobile, je lahko izdelalo natančne oblike z najmanjšo odprtino 0,5 mm z uporabo martenzitno staranega jeklenega prahu z velikostjo delcev 30–60 μm. Prepričali so se tudi, da je bila hrapavost Ra notranje stene vodne poti manjša ali enaka 10 μm.
2, Prilagoditev velikosti delcev skupnih procesov: različne potrebe za SLM in EBM
1. Postopek SLM: kombinacija majhne velikosti delcev in visoke natančnosti
Tehnika SLM kot vir energije uporablja laser, premer koncentrirane točke pa je običajno med 50 in 100 μm. Zato morate izbrati fino{3}}zrnat prah (15–53 μm), ki se ujema z velikostjo pike. Drobni delci lahko hitro absorbirajo lasersko energijo in ustvarijo homogeno talino, vendar mora biti količina kisika pod 150 ppm, da se izognemo vključkom oksidov. Na primer, pri izdelavi kalupov za ortopedske vsadke iz titanove zlitine lahko prah TC4 z velikostjo delcev 20–45 μm in vsebnostjo kisika 80 ppm izpolnjuje standarde visoke -natančnosti tolerance odprtine ± 0,02 mm in površinske hrapavosti Ra < 5 μm.
2. Postopek EBM: poiščite kompromis med veliko velikostjo delcev in visoko učinkovitostjo.
Metoda EBM uporablja elektronski žarek kot vir energije. Njegove lastnosti porazdelitve energijske gostote so boljše za taljenje grobih delcev (53–150 μm). Grobi delci lahko zmanjšajo število plasti prahu, pospešijo tiskanje in zmanjšajo preostalo napetost. Ko določeno podjetje za letalske motorje uporablja EBM za izdelavo kalupov za kolute turbin-iz visokotemperaturne-zlitine na osnovi niklja, izbere prah z delci, ki so veliki od 60 do 105 μm. Deformacija zvijanja se ohranja na 0,1 mm pri temperaturi predgretja 700 stopinj, hitrost tiskanja pa je trikrat večja od SLM.
3. Postopek LEČE: ujemanje velikosti delcev in stabilnost dovajanja prahu
Tehnika LENS (Laser Near Clean Forming) uporablja pristop koaksialnega podajanja prahu. Za zagotovitev stabilnega dovajanja prahu je treba izbrati grob prah z velikostjo delcev od 105 do 180 μm. Grobi delci lahko pomagajo preprečiti, da bi se cev za dovajanje prahu zamašila, vendar je treba hitrost skeniranja (600–1000 mm/s) nastaviti na pravo raven, da se izognete napakam pri nepopolni fuziji. Določeno podjetje za popravilo kalupov je uporabilo tehnologijo LENS za pritrditev kalupov-za tlačno litje, pri čemer je uporabilo jekleni prah H13 z delci, ki so bili veliki 120–150 μm. Z močjo laserja 1000 W in hitrostjo skeniranja 800 mm/s je bilo ugotovljeno, da je trdnost metalurške vezi med popravljalno plastjo in substratom vsaj 400 MPa.
3,Strategija za optimizacijo velikosti delcev: popoln nadzor nad postopkom od priprave do naknadne-obdelave
1. Priprava prahu: izbira med aerosolizacijo in tehnologijo PREP
Razprševanje s plinom (GA) je zdaj najpogostejši način izdelave prahu, saj je poceni in dobro deluje. Pogosto pa nastane satelitski prah (majhni delci, ki se lepijo na površino večjih delcev) in votel prah, kar poslabša kakovost tiska. S postopkom atomizacije z vrtečo se elektrodo v plazmi (PREP) lahko s taljenjem kovine z visokohitrostnimi rotacijskimi elektrodami naredite visoko{2}}kakovostne prahove s sferičnostjo več kot 98 % in vsebnostjo satelitskega prahu manj kot 0,5 %. Vendar je oprema draga. Vrhunski-izdelovalec kalupov je izboljšal življenjsko dobo prahu 316L, izdelanega s postopkom PREP, s 100.000 ciklov na 500.000 ciklov.
2. Sejanje po velikosti delcev: dvo-stopenjsko presejanje in optimizacija gradacije
Dvo{0}}stopenjsko presejanje (na primer sita 30 μm in 53 μm) je mogoče uporabiti za pridobitev prahu z ozko porazdelitvijo velikosti delcev. To prepreči neenakomerno širjenje prahu, do katerega pride, ko se grobi in majhni delci pomešajo. S kombiniranjem praškov z različnimi velikostmi delcev lahko izboljšate razvrščanje s povečanjem nasipne gostote. Z mešanjem 20 % 10–20 μm finega prahu z 80 % 30–50 μm grobega prahu lahko na primer povečate nasipno gostoto s 4,2 g/cm³ na 4,8 g/cm³.
3. Po obdelavi: vroče izostatično stiskanje in poliranje površine
Vroče izostatično stiskanje (HIP) lahko zapolni luknje v kalupih in poveča gostoto na več kot 99,9 %. Glede na študijo je trdnost kalupov Ti6Al4V, obdelanih s HIP, za 40 % višja od trdnosti kalupov, ki niso bili obdelani. Poliranje površine lahko naredi še bolj gladko. Tehnologija elektrolitskega poliranja lahko na primer zmanjša hrapavost površine kalupa z Ra10 μm na Ra0,2 μm, kar je dovolj dobro za-optične kalupe višjega cenovnega razreda in druge uporabe.