Jsou náklady na tepelné zpracování kovu při 3D tisku vysoké?

一, Hlavní role tepelného zpracování při 3D tisku kovu
Kovový 3D tisk vytváří komplikované struktury tavením kovového prášku jednu vrstvu po druhé, ale tento proces má tři velké problémy:
Zbytkové napětí: Rychlé zahřátí a ochlazení pomocí laseru může změnit tvar mřížky, což může způsobit prasknutí nebo ohnutí dílů.
Organizační nedostatky: Nerovnovážné tuhnutí vytváří hrubé útvary, jako jsou sloupcové krystaly a dendrity, které snižují pevnost materiálů.
Nerovnoměrný výkon: na spojích mezi vrstvami se mohou snadno vytvořit slabá rozhraní, což zkracuje životnost materiálu.
Pečlivým řízením teplotního pole a procesu fázového přechodu může tepelné zpracování dosáhnout tří hlavních cílů:
Úleva od stresu: Ošetření žíháním se zbaví zbytkového stresu a učiní rozměry stabilnější.
Organizační optimalizace: Získání jednotné a jemné rovnoosé krystalové struktury pomocí pevného roztoku a ošetření stárnutím.
Zlepšení výkonu: Kontrola tvaru srážecích stupňů pro nalezení rovnováhy mezi pevností a houževnatostí.
Například technologie SLM byla použita k výrobě specifické lopatky leteckého motoru, která byla poté ošetřena roztokem při 1050 stupních a stárla při 550 stupních. Pevnost v tahu se zvýšila z 850 MPa na 1200 MPa a únavová životnost se zvýšila třikrát.
2, Vícerozměrný pohled na členění nákladů na tepelné zpracování
1. Náklady na vybavení: náklady na přesné ovládání
K tepelnému zpracování kovových 3D tištěných předmětů potřebujete speciální nástroje:
Vakuová pec zabraňuje korozi aktivních kovů, jako jsou slitiny titanu. Stojí dvakrát až třikrát tolik než běžná pec.
Laserový systém tepelného zpracování: používá se ke změně povrchu malé oblasti a zařízení stojí více než 5 milionů juanů.
Inteligentní řídicí systém musí zahrnovat infračervené měření teploty, ovládání atmosféry a další moduly. Hodnota jednoho systému je více než jeden milion juanů.
Jistá společnost říká, že odpisy zařízení na tepelné zpracování tvoří 18 % až 25 % jednotkových nákladů a toto procento rychle stoupá, jak se přesnost zařízení zlepšuje.
2. Náklady na energii: Vysoké teploty vytvářejí dlouhodobou-černou díru ve spotřebě energie.
Normální nastavení pro proces tepelného zpracování:
Ošetření roztokem: 4 až 6 hodin izolace při 1000–1050 stupních
Doba ošetření: udržujte izolaci při 160–180 stupních po dobu 8–12 hodin.
Žíhání uvolňující stres: Udržujte jej při 300–400 stupních po dobu 2–4 hodin.
Například tepelná úprava jednoho kusu Ti6Al4V, který byl vyroben pomocí SLM, vyžaduje 120–150 kWh energie. Náklady na energii jsou více než 15%, pokud používáte elektrickou topnou pec. Používáte-li plynový kotel, ušetříte 40 % nákladů na energii, ale budete muset utratit více za zařízení na čištění výfukových plynů.
3. Material Cost: The Efficiency Game of Recycling Powder
Tepelné zpracování může vést ke ztrátě materiálu:
Oxidační popáleniny: Při zahřátí kovu na vysoké teploty se na jeho povrchu objeví oxidační kůže. Míra ztrát je 0,5 % až 1,2 %.
Ztráta těkavých látek: Kovy s nízkým bodem varu, jako jsou slitiny hořčíku, se při vysokých teplotách odpařují a ztrácejí více než 2 % své hmotnosti.
Nosná konstrukce: Navrhování složitých částí vnitřního průtokového kanálu s odnímatelnými podpěrami zvyšuje míru plýtvání materiálem o 5 % až 8 %.
Systém recyklace prášku může zvýšit míru využití na 92 ​​%–95 %, nicméně problém ztráty účinnosti recyklovaného prášku je stále třeba vyřešit. Studie zjistila, že po třech použitích se koncentrace kyslíku v prášku Ti6Al4V zvýšila o 0,03 %, což způsobilo snížení únavové pevnosti součástí o 12 %.
4. Časové náklady: procesní řetězec má úzké hrdlo v efektivitě
Typický cyklus tepelného zpracování vypadá takto:
Před ošetřením: čištění, bez podepření, pískování (2–4 hodiny)
Zahřívání, izolace a chlazení (8 až 24 hodin) jsou součástí tepelného zpracování.
Následné{0}}zpracování: řezání drátu, jeho leštění a testování (3–6 hodin)
Jistá firma na automobilové díly uvádí, že proces tepelného zpracování tvoří 60 až 70 % celého výrobního cyklu 3D tisku. To je hlavní důvod, proč jsou dodávky pomalé.
3, Technická cesta pro snížení nákladů
1. Změňte způsob, jakým se věci dělají: zkraťte cyklus tepelného zpracování.
Technika rychlého žíhání využívá-zahřívání s vysokou hustotou výkonu, aby se zkrátila doba potřebná k úpravě roztoku ze 6 hodin na 2 hodiny.
Postupný proces stárnutí: Řízením teploty v několika fázích se zkracuje celková doba izolace, přičemž je stále zajištěn dobrý výkon.
Místní indukční ohřev: Ohřívají se pouze nejdůležitější části, což snižuje spotřebu energie o více než 70 %.
Jistá letecká společnost použila technologii rychlého žíhání, aby snížila náklady na tepelné zpracování dílů Ti6Al4V o 35 % a učinila mikrostrukturu konzistentnější o 20 %.
2. Vylepšete vybavení: Lepší využití energie
Vakuová nízkotlaká-nauhličovací pec: Udržujte tlak ve vzduchu mezi 10 a 100 Pa, abyste spotřebovali méně plynu.
Systém rekuperace odpadního tepla: využití odpadního tepla z chladicí vody k ohřevu nových dílů, což snižuje celkovou spotřebu energie o 18 %.
Inteligentní systém regulace teploty: využívá strojové učení ke zlepšení topné křivky a snížení potřeby opakovaného zpracování způsobeného změnami teploty.
Poté, co určitý výrobce zařízení začal používat inteligentní systém řízení teploty, se míra kvalifikace tepelného zpracování zvýšila z 82 % na 95 % a náklady na jednotku klesly o 22 %.
3. Zdokonalování materiálů: Výroba slitinových systémů, které jsou levné
Technologie částečného tisku: použití hliníkové slitiny v částech, které nemusí mít velkou váhu a titanové slitiny v částech, které musí, což snižuje ceny materiálu o 40 %.
Nano modifikovaný prášek: Přidání 0,5 % nanočástic snižuje teplotu tepelného zpracování o 50 stupňů Celsia a snižuje spotřebu energie o 30 %.
Použití regenerovaného prášku: Vytvořte model toho, jak se bude výkon prášku v průběhu času měnit, aby produkce zůstala stabilní po nejméně pěti použitích.
Nerezová slitina hořčíku Mg Zn Ca vytvořená jistým výzkumným týmem fungovala stejně dobře jako slitina hliníku v testech v solné mlze a snížila náklady na povrchovou úpravu o 60 %.
4. Procesní reengineering: spojení výroby a tepelného zpracování
Integrované zařízení pro tepelné zpracování tisku: uvnitř tiskové komory je zabudován modul indukčního ohřevu, který umožňuje žíhání na místě-.
Technologie digitálního dvojčete: Použití simulace k nalezení nejlepších parametrů procesu a snížení nákladů na pokusy a omyly.
Automatizovaná výrobní linka: kombinuje moduly, jako je čištění, tepelné zpracování a detekce, aby se snížily náklady na pracovní sílu o polovinu.
Konkrétní společnost vybudovala chytrou továrnu, která změnou způsobu výroby snížila celkové náklady na 3D tištěné díly o 42 %. Náklady na tepelné zpracování klesly z 25 % na 14 %.