Ali obstaja pomembna razlika v natančnosti 3D tiskanja med različnimi kovinskimi materiali?

1. Lastnosti materiala: fizikalne in kemijske lastnosti, ki vplivajo na možnost za natančnost
Natančnost 3D-tiskanja s kovinskimi materiali je večinoma posledica medsebojnega delovanja med termodinamičnim obnašanjem materiala med procesom taljenja in strjevanja ter vodenjem procesa. Spremembe lastnosti naslednjih štirih pogostih materialov neposredno vplivajo na natančnost njihovih odtisov:
Zlitina titana (kot TC4/Ti-6Al-4V)
Titanove zlitine so močne, lahke in odporne proti rji, vendar jih je mogoče natančno natisniti le zaradi dveh glavnih razlogov:
Visoka stopnja termičnega krčenja: TC4 ima koeficient linearne razteznosti 8,6 × 10 ⁻⁶/ stopinjo, kar pomeni, da lahko takoj povzroči preostale napetosti, ko se hitro ohladi, kar lahko povzroči deformacijo delov in spremembo oblike. Na primer, če ne uporabite vročega izostatičnega stiskanja (HIP) po tiskanju kalupa za rezilo letalskega motorja, se lahko dimenzije odmaknejo za kar ± 0,3 mm. Po obdelavi HIP se lahko dimenzije zamaknejo le za ± 0,05 mm.
Nizka stopnja absorpcije laserja: Titanova zlitina lahko odbija do 60 % laserske svetlobe, zato potrebuje visoko energijsko gostoto (običajno > 100 W/mm²), da se enakomerno stopi. Vendar pa lahko preveč energije povzroči brizganje in spremeni hrapavost površine. Površinsko hrapavost lahko zmanjšate z Ra25 μm na Ra10 μm s spremembo tehnike skeniranja (na primer s skeniranjem šahovnice).
En primer je nerjaveče jeklo 316L.
Nerjavno jeklo ima veliko procesno okno in ni zelo občutljivo na toplotne razpoke, zaradi česar je boljše za tiskanje:
Stabilen širok talilni bazen: 316L se tali pri 1375 stopinjah, stabilen talilni bazen pa je mogoče izdelati z lasersko močjo od 50 do 200 W in dimenzijsko natančnostjo ± 0,05 mm. Podjetje, ki izdeluje medicinske pripomočke, je s tehnologijo SLM natisnilo kostne plošče s toleranco aperture ± 0,02 mm, ki so ustrezale zahtevam za sestavljanje ortopedskih vsadkov.
Enotnost v organizaciji: zaradi avstenitne narave 316L je manjša verjetnost, da se bo med postopkom tiskanja ločil. Pri uporabi z obdelavo s trdno raztopino (izolacija pri 1050 stopinjah za 1 uro in kaljenje z vodo) je mogoče popraviti napake pri vmesnem sloju, kar podaljša življenjsko dobo zaradi utrujenosti za 30 %.
Aluminijeve zlitine, kot je AlSi10Mg
Največja težava pri tiskanju aluminijeve zlitine je, da ima visoko toplotno prevodnost in je nagnjena k pokanju, ko se segreje.
Razpoke nastanejo, ko se nekaj hitro ohlaja: AlSi10Mg ima toplotno prevodnost 150 W/(m · K), bazen taline pa se lahko ohladi s hitrostjo 10 ⁶ stopinj/s, kar olajša nastanek vročih zlomov na mejah zrn. Dodatek 0,5 % elementa Sc lahko naredi velikost zrn manjšo od 1 μm, kar zniža stopnjo razpok s 15 % na 0,5 %.
Učinek površinskega oksidnega filma: Aluminijasta površina bo verjetno ustvarila debel oksidni film (Al ₂ O3), zaradi česar prah ne teče dobro, kar pomeni, da je treba tiskanje opraviti z zaščito pred vakuumskim inertnim plinom. Po izboljšanju sistema kroženja plina se je hrapavost površine novega nosilca baterijskega paketa za energetska vozila povečala z Ra50 μm na Ra15 μm.
Visokotemperaturne-zlitine na osnovi niklja, kot je Inconel 718
Izziv visoko{0}}temperaturnih zlitin je nadzor mikrostrukture pri zelo visokih temperaturah:
Nagnjenost k rasti stebrastih kristalov: med tiskanjem Inconel 718 nagiba k ustvarjanju stebričastih kristalov, ki se razvijajo v smeri konstrukcije. Zaradi tega je material anizotropen. Spreminjanje hitrosti skeniranja (600–1000 mm/s) in debeline sloja (30–50 μm) lahko poveča velikost zrn s 500 μm na 100 μm, kar povzroči povečanje natezne trdnosti za 15 %.
Občutljivost na mikrorazpoke: 'faza (Ni ∝ (Al, Ti)) bo verjetno tvorila neenakomerne usedline, ko se hitro ohladi, kar lahko povzroči mikrorazpoke. Več kot 90 % mikrorazpok je mogoče odstraniti z uporabo stopnjevane toplotne obdelave (izolacija 720 stopinj za 8 ur, čemur sledi zračno hlajenje in izolacija 620 stopinj za 8 ur).
2. Prilagodljivost procesa: Izbira poti za natančno izvedbo
Natančnost kovinskega 3D-tiskanja je odvisna od materiala in tega, kako dobro se vrsta postopka ujema. Naslednji štirje običajni procesi imajo precej različne stopnje natančnosti:
Prednosti natančnosti laserskega selektivnega taljenja (SLM): Premer laserske točke SLM je lahko tako majhen kot 50 μm, debelina plasti je lahko med 20 in 60 μm, dimenzijska natančnost je lahko visoka do ± 0,05 mm, površinska hrapavost Ra pa je lahko nizka kot 10 μm. Letalsko podjetje je uporabilo SLM za tiskanje turbinskih lopatic, pri čemer je zagotovilo, da je bila toleranca profila lopatic znotraj ± 0,03 mm, kar je potrebno za sestavo letalskih motorjev.
Omejitve glede materialov: Če želite, da materiali z visoko odbojnostjo (kot je baker) absorbirajo več, morate uporabiti zeleni laser (532 nm) ali modri laser (450 nm). Vendar pa se stroški opreme povečajo za 30% do 50%.
Značilnosti natančnosti taljenja z elektronskim žarkom (EBM): EBM deluje v vakuumu z veliko energijsko gostoto v elektronskem žarku (do 10 ⁴ W/mm²), zaradi česar je primeren za tiskanje materialov z visokimi tališči, vključno s titanovimi zlitinami. Določen proizvajalec ortopedskih vsadkov je uporabil EBM za tiskanje čašic kolčnih sklepov. Površinska hrapavost je bila Ra manjša ali enaka 8 μm, ni bilo oksidne plasti in skodelice so bile bolj biokompatibilne kot tiste, izdelane s tradicionalnimi metodami.
Nadzor toplotne napetosti: EBM lahko segreje dele na 700 stopinj Celzija, kar lahko zmanjša preostalo napetost in upogibanje za 80 %.
Usmerjeno nanašanje energije (DED) ima premer šobe od 0,8 do 2 mm, debelino plasti od 0,5 do 2 mm, dimenzijsko natančnost ± 0,5 mm in površinsko hrapavost od Ra20 do 100 μm. Določeno podjetje za letalske motorje je uporabilo DED za popravilo turbinskega diska. Plast za popravilo in substrat sta povezana z metalurško trdnostjo 400MPa, kar ustreza zahtevam storitve.
Prednost učinkovitosti: DED ima hitrost sedimentacije 200 cm³/h, kar je več kot 10-krat več kot SLM. Zaradi tega je primeren za pritrjevanje ali predoblikovanje velikih kosov.
Lepilo v spreju (BJ)
Potencial za natančnost: BJ ima dimenzijsko natančnost ± 0,1 mm in površinsko hrapavost Ra20–60 μm. Vendar pa ga je treba po obdelavi razmastiti (400-600 stopinj) in sintrati (1200-1300 stopinj), zaradi česar se skrči za 15% do 20%. Določeno avtomobilsko podjetje uporablja BJ natisnjene kalupne vložke in potem, ko so končani, ostane velikost stabilna znotraj ± 0,05 mm, kar je potrebno za množično proizvodnjo.
Stroškovna prednost: posamezen kos BJ stane 60 % do 70 % manj kot SLM, zaradi česar je primeren za situacije, kjer sta potrebna srednja natančnost in velik obseg.
3. Tipičen primer: Praktično preverjanje neskladij v točnosti
Rezila iz titanove zlitine za letalske motorje Tiskanje z uporabo SLM
Eno letalsko podjetje je uporabilo tehnologijo SLM za izdelavo rezil iz titanove zlitine TC4. Z izboljšanjem tehnik skeniranja (kot je spiralno skeniranje) in podpornih struktur (kot je mrežasta podpora) se je toleranca profila rezila povečala z ± 0,1 mm na ± 0,03 mm, hrapavost površine pa je šla z Ra25 μm na Ra8 μm. S tem je bil motor za 2 % bolj učinkovit.
Nerjaveče jeklo 316L se uporablja za implantacijo medicinskih pripomočkov. SLM tiskanje
Ortopedsko podjetje je uporabilo SLM za tiskanje kostnih plošč iz nerjavečega jekla 316L. Toleranca odprtine je bila nastavljena na ± 0,02 mm in po elektrolitskem poliranju je površinska hrapavost Ra < 0,8 μm ustrezala medicinskemu standardu ISO 13485, s čimer se je čas, potreben za integracijo kosti, zmanjšal za 30 %.
Akumulator za novo energetsko vozilo: AlSi10Mg Tiskano s SLM
Novo podjetje za energetska vozila uporablja SLM natisnjene nosilce baterijskega sklopa za spreminjanje velikosti zrn z dodajanjem 0,5 % elementa Sc, kar zniža stopnjo vročega loma s 15 % na 0,5 %. Trdnost nosilca se poveča za 25 % in njegova teža se zmanjša za 30 %, ko je toplotno-obdelan s T6 (530 stopinj trdne raztopine + 170 stopinj staranja).