Ovlivňuje velikost částic kovového prášku kvalitu tisku forem?

一, Způsob, jakým velikost částic ovlivňuje kvalitu tisku: synergický efekt více než jedním způsobem
1. Prášek se rovnoměrně rozprostře: Hustota vrstvy prášku závisí na velikosti částic.
Prvním krokem v kovovém 3D tisku je distribuce prášku a její rovnoměrnost má přímý dopad na počáteční kvalitu formy. Částice prášku, které jsou malé (méně než 15 μm), mají tendenci se slepovat, protože mají velkou povrchovou energii. To může způsobit dutiny nebo hrudky ve vrstvě prášku. Na druhou stranu, pokud jsou částice příliš velké (více než 53 μm), mohou dobře proudit, ale omezují minimální tloušťku vrstvy, což ztěžuje vytváření jemných prvků, jako jsou tenkostěnné- struktury. Například při použití prášku z nerezové oceli 316L s částicemi o velikosti 15 až 45 μm v procesu SLM lze tloušťku vrstvy prášku udržovat mezi 30 a 50 μm a hustota vrstvy prášku může dosáhnout 99,2 %. Ale jak velikost částic přesahuje tento rozsah, pórovitost se hodně zvyšuje.
Přiměřenost distribuce velikostí částic je stejně důležitá. Použití bimodální distribuce (míchání hrubých a jemných částic) pomáhá zlepšit hustotu balení prášku. Jemné částice vyplňují prostory mezi hrubými částicemi, což zvyšuje hustotu volného balení o 10 % až 15 %. Tím se sníží vnitřní vady ve formě. Zlepšením poměru velikosti částic prášku Ti6Al4V (D50=35 μm, D90=50 μm) zvýšila konkrétní letecká společnost hustotu forem lopatek turbín z 98,5 % na 99,7 % a únavovou životnost o 20 %.
2. Stabilita bazénu: rovnováha mezi velikostí částic a absorpcí energie, která se v čase mění
Tavenina je hlavní částí, kde se kovový prášek taví, a její stabilita závisí na tom, jak dobře prášek absorbuje energii laserového/elektronového paprsku. drobné částice mají velký specifický povrch a vysokou rychlost absorpce tepla. Nicméně prášky, které jsou příliš malé (např<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 μ m, míra dílčích defektů fúze dosahuje až 15 %.
Nerovnoměrná distribuce velikosti částic může také způsobit nerovnosti ve vedení tepla v určitých oblastech, což může přispívat ke koncentraci zbytkového napětí. Studie zjistila, že použití prášku Inconel 718 se širokou distribucí velikosti částic (10–100 μm) pro tisk forem zvyšuje zbytkové napětí o 30 % ve srovnání s omezenou distribucí (20–50 μm). Tím je riziko deformační deformace mnohem vyšší.
3. Kvalita a přesnost povrchu: přímá kontrola velikosti částic na drsnosti
Drsnost povrchu formy je dobrý způsob, jak zjistit, jak dobře tisk probíhá, protože je přímo úměrná velikosti částic prášku. Čím menší částice, tím hladší povrch. Pokud je však prášek příliš jemný, špatně teče a může způsobit nerovnoměrné rozprostření prášku, což zdrsní povrch. Pokud například používáte práškové tiskové formy 316L s D50 25 μm, můžete udržet drsnost povrchu Ra do 8 μm. Pokud však použijete prášek s D50 15 μm, bude hodnota Ra vyšší než 15 μm, protože částice se slepí.
Při volbě velikosti částic pro složité konstrukční formy (takové konformní chladicí kanály) musíte najít kompromis mezi přesností a snadností použití. Jedna společnost, která vyrábí formy pro automobily, dokázala vyrobit přesné tvary s minimální aperturou 0,5 mm s využitím martenzitické zestárlé oceli s velikostí částic 30–60 μm. Také se ujistili, že drsnost Ra vnitřní stěny vodní cesty byla menší nebo rovna 10 μm.
2, Přizpůsobení velikosti částic běžných procesů: různé potřeby pro SLM a EBM
1. Proces SLM: kombinace malé velikosti částic a vysoké přesnosti
Technika SLM využívá jako zdroj energie laser a průměr koncentrované skvrny je obvykle mezi 50 a 100 μm. Musíte tedy vybrat jemnozrnný-prášek (15–53 μm), který odpovídá velikosti skvrny. Jemné částice mohou rychle absorbovat laserovou energii a vytvořit homogenní lázeň taveniny, ale množství kyslíku musí být udržováno pod 150 ppm, aby se zabránilo inkluzím oxidů. Například při výrobě forem pro ortopedické implantáty z titanové slitiny může prášek TC4 s velikostí částic 20–45 μm a hladinou kyslíku 80 ppm splňovat normy vysoké{13}}přesnosti tolerance otvoru ± 0,02 mm a drsnosti povrchu Ra < 5 μm.
2. Proces EBM: najít kompromis mezi velkou velikostí částic a vysokou účinností.
Metoda EBM využívá jako zdroj energie elektronový paprsek. Jeho vlastnosti distribuce hustoty energie jsou lepší pro tavení hrubých částic (53–150 μm). Hrubé částice mohou snížit počet vrstev prášku, zrychlit tisk a snížit zbytkové napětí. Když určitá společnost vyrábějící letecké motory používá EBM k výrobě forem na kotoučové turbíny z niklové -vysokoteplotní slitiny-, vybere si prášek s částicemi o velikosti 60 až 105 μm. Deformace deformace je udržována v rozmezí 0,1 mm při teplotě předehřívání 700 stupňů a rychlost tisku je třikrát vyšší než u SLM.
3. Proces LENS: přizpůsobení velikosti částic a stabilitě podávání prášku
Technika LENS (Laser Near Clean Forming) využívá přístup koaxiálního podávání prášku. Aby bylo zajištěno stabilní podávání prášku, je třeba zvolit hrubý prášek s velikostí částic 105 až 180 μm. Hrubé částice mohou pomoci zabránit ucpání přívodní trubice prášku, ale rychlost skenování (600–1000 mm/s) je třeba nastavit na správnou úroveň, aby se předešlo chybám neúplné fúze. Konkrétní společnost na opravu forem použila technologii LENS k upevnění forem-pro tlakové lití, přičemž používala ocelový prášek H13 s částicemi o velikosti 120–150 μm. Při výkonu laseru 1000W a rychlosti skenování 800mm/s byla zjištěna pevnost metalurgického spojení mezi opravnou vrstvou a substrátem alespoň 400MPa.
3,Strategie pro optimalizaci velikosti částic: úplná kontrola procesu od přípravy po následnou-úpravu
1. Příprava prášku: volba mezi aerosolizací a technologií PREP
Plynová atomizace (GA) je nyní nejběžnějším způsobem výroby prášku, protože je levná a funguje dobře. Často však vyrábí satelitní prášek (malé částice, které ulpívají na povrchu větších částic) a dutý prášek, což snižuje kvalitu tisku. Proces atomizace plazmovou rotační elektrodou (PREP) dokáže vyrobit vysoce kvalitní -prášky se sféricitou více než 98 % a obsahem satelitního prášku menším než 0,5 % tavením kovu pomocí vysokorychlostních rotujících elektrod. Zařízení je však drahé. Špičkový-výrobce forem zlepšil únavovou životnost 316L prášku vyrobeného pomocí procesu PREP ze 100 000 cyklů na 500 000 cyklů.
2. Třídění podle velikosti částic: dvou-stupňové třídění a optimalizace gradace
Dvoustupňové prosévání (např. síta 30 μm a 53 μm) lze použít k získání prášku s úzkou distribucí velikosti částic. Tím se zastaví nerovnoměrné šíření prášku, ke kterému dochází při smíchání hrubých a malých částic. Kombinací prášků s různými velikostmi částic můžete zlepšit třídění zvýšením sypné hmotnosti. Například smícháním 20 % 10–20 μm jemného prášku s 80 % 30–50 μm hrubého prášku lze zvýšit objemovou hustotu ze 4,2 g/cm³ na 4,8 g/cm³.
3. Po ošetření: horké izostatické lisování a leštění povrchu
Izostatické lisování za tepla (HIP) může vyplnit otvory ve formách a zvýšit hustotu na více než 99,9 %. Podle studie je únavová pevnost forem Ti6Al4V, které byly ošetřeny HIP, o 40 % vyšší než u forem, které nebyly ošetřeny. Leštěním povrch může být ještě hladší. Technologie elektrolytického leštění může například snížit drsnost povrchu formy z Ra10 μm na Ra0,2 μm, což je dost dobré pro špičkové -optické formy a další použití.