Existuje významný rozdíl v přesnosti 3D tisku mezi různými kovovými materiály?

1. Vlastnosti materiálu: fyzikální a chemické vlastnosti, které ovlivňují možnost přesnosti
Přesnost 3D tisku s kovovými materiály je většinou způsobena souhrou mezi termodynamickým chováním materiálu během procesu tavení a tuhnutí a řízením procesu. Změny vlastností následujících čtyř běžných materiálů přímo ovlivňují přesnost jejich výtisků:
Slitina titanu (jako TC4/Ti-6Al-4V)
Slitiny titanu jsou pevné, lehké a odolné vůči korozi, lze je však přesně tisknout pouze ze dvou hlavních důvodů:
Vysoká míra tepelného smrštění: TC4 má koeficient lineární roztažnosti 8,6 × 10 ⁻⁶/stupeň, což znamená, že při rychlém ochlazení může snadno způsobit zbytkové napětí, které může způsobit deformaci dílů a změnu tvaru. Pokud například nepoužijete izostatické lisování za tepla (HIP) po vytištění formy pro list leteckého motoru, rozměry se mohou zmenšit až o ± 0,3 mm. Po zpracování HIP se mohou rozměry zmenšit již o ± 0,05 mm.
Nízká míra absorpce laseru: Titanová slitina může odrážet až 60 % laserového světla, takže potřebuje vysokou hustotu energie (obvykle > 100 W/mm²), aby se rovnoměrně roztavila. Příliš mnoho energie však může způsobit rozstřikování a změnit drsnost povrchu. Drsnost povrchu můžete snížit z Ra25 μm na Ra10 μm změnou techniky skenování (např. pomocí skenování šachovnice).
Jedním z příkladů je nerezová ocel 316L.
Nerezová ocel má velké procesní okno a není příliš citlivá na tepelné trhliny, takže je lepší pro tisk:
Stabilní široká lázeň taveniny: 316 l taje při 1375 stupních a stabilní lázeň taveniny může být vyrobena s výkonem laseru 50 až 200 W a rozměrovou přesností ± 0,05 mm. Společnost vyrábějící zdravotnická zařízení použila technologii SLM k tisku kostních destiček s tolerancí apertury ± 0,02 mm, což splnilo požadavky na sestavení ortopedických implantátů.
Jednotnost v organizaci: Díky austenitické povaze 316L je méně pravděpodobné, že se během procesu tisku oddělí. Při použití s ​​ošetřením tuhým roztokem (izolace při 1050 stupních po dobu 1 hodiny a kalení vodou) lze opravit chyby spojování mezi vrstvami, což zvyšuje únavovou životnost o 30 %.
Hliníková slitina, jako AlSi10Mg
Největším problémem při tisku hliníkové slitiny je to, že má vysokou tepelnou vodivost a je náchylná k praskání, když se zahřeje.
Trhliny vznikají, když se něco rychle ochladí: AlSi10Mg má tepelnou vodivost 150 W/(m · K) a lázeň taveniny se může ochlazovat rychlostí 10 ⁶ stupňů/s, což usnadňuje vytváření horkých lomů na hranicích zrn. Přidáním 0,5 % Sc prvku může být velikost zrna menší než 1 μm, což snižuje rychlost praskání z 15 % na 0,5 %.
Vliv povrchového oxidového filmu: Hliníkový povrch pravděpodobně vytváří silný oxidový film (Al ₂ O3), který způsobuje, že prášek špatně teče a znamená, že tisk je třeba provádět s vakuovou ochranou inertním plynem. Po zlepšení systému cirkulace plynu se drsnost povrchu nového držáku baterie pro energetické vozidlo změnila z Ra50 μm na Ra15 μm.
niklové-vysokoteplotní-slitiny, jako je Inconel 718
Výzvou vysokoteplotních slitin je kontrola mikrostruktury při velmi vysokých teplotách:
Tendence růstu sloupcových krystalů: Během tisku má Inconel 718 tendenci vytvářet sloupcové krystaly, které se vyvíjejí ve směru konstrukce. Díky tomu je materiál anizotropní. Změna rychlosti skenování (600–1000 mm/s) a tloušťky vrstvy (30–50 μm) může způsobit změnu velikosti zrna z 500 μm na 100 μm, čímž se pevnost v tahu zvýší o 15 %.
Citlivost na mikrotrhliny: Fáze (Ni ∝ (Al, Ti)) při rychlém ochlazení pravděpodobně vytváří nerovnoměrné usazeniny, které mohou způsobit mikrotrhliny. Více než 90 % mikrotrhlin lze odstranit použitím stupňovitého tepelného zpracování (720 stupňů izolace po dobu 8 hodin, následuje chlazení vzduchem a izolace 620 stupňů po dobu 8 hodin).
2. Adaptabilita procesu: Výběr cesty pro přesnou implementaci
Přesnost kovového 3D tisku závisí jak na materiálu, tak na tom, jak dobře odpovídá typ procesu. Následující čtyři běžné procesy mají zcela odlišné úrovně přesnosti:
Výhoda přesnosti laserového selektivního tavení (SLM): Průměr laserové skvrny SLM může být malý až 50 μm, tloušťka vrstvy může být mezi 20 a 60 μm, rozměrová přesnost může být až ± 0,05 mm a drsnost povrchu Ra může být až 10 μm. Letecká společnost použila SLM k tisku lopatek turbíny, přičemž se ujistila, že tolerance profilu lopatek je v rozmezí ± 0,03 mm, což je to, co letecké motory potřebují, aby bylo možné sestavit.
Omezení materiálu: Aby materiály s vysokou odrazivostí (jako je měď) absorbovaly více, musíte použít zelený laser (532nm) nebo modrý laser (450nm). Náklady na zařízení se však zvyšují o 30 až 50 %.
Tavení elektronovým paprskem (EBM) Vlastnosti přesnosti: EBM pracuje ve vakuu s velkou hustotou energie v elektronovém paprsku (až 10 ⁴ W/mm ²), což je vhodné pro tisk materiálů s vysokými body tání, včetně slitin titanu. Jistý výrobce ortopedických implantátů použil EBM k tisku jamek kyčelního kloubu. Drsnost povrchu byla Ra menší nebo rovna 8 μm, nebyla zde žádná oxidová vrstva a kalíšky byly biokompatibilnější než kalíšky vyrobené tradičními metodami.
Kontrola tepelného namáhání: EBM může zahřát díly na 700 stupňů Celsia, což může snížit zbytkové napětí a deformace o 80 %.
Directed Energy Deposition (DED) má průměr trysky 0,8 až 2 mm, tloušťku vrstvy 0,5 až 2 mm, rozměrovou přesnost ± 0,5 mm a drsnost povrchu Ra20 až 100 μm. Jistá společnost vyrábějící letecké motory použila DED k opravě turbínového disku. Opravná vrstva a podklad jsou vzájemně spojeny s metalurgickou pevností 400MPa, což odpovídá provozním požadavkům.
Výhoda účinnosti: DED má rychlost sedimentace 200 cm³/h, což je více než 10násobek rychlosti SLM. Díky tomu je vhodný pro fixaci nebo předtvarování velkých kusů.
Lepidlo ve spreji (BJ)
Potenciál přesnosti: BJ má rozměrovou přesnost ± 0,1 mm a drsnost povrchu Ra20-60 μm. Po úpravě je však nutné jej odmastit (400-600 stupňů) a slinovat (1200-1300 stupňů), což způsobí jeho smrštění o 15 % až 20 %. Jistá automobilka používá tištěné vložky forem BJ a po jejich dokončení zůstává velikost stabilní v rozmezí ± 0,05 mm, což je potřeba pro hromadnou výrobu.
Cenová výhoda: Jeden kus BJ stojí o 60 % až 70 % méně než SLM, díky čemuž je vhodný pro situace, kde je potřeba střední přesnost a velké měřítko.
3. Typický příklad: Praktické aplikační ověření nesrovnalostí přesnosti
Lopatky z titanové slitiny pro letecké motory Tisk pomocí SLM
Jedna letecká společnost použila technologii SLM k výrobě čepelí z titanové slitiny TC4. Zlepšením skenovacích technik (jako je spirálové skenování) a podpůrných struktur (jako je mřížová podpora) se tolerance profilu čepele změnila z ± 0,1 mm na ± 0,03 mm a drsnost povrchu se zvýšila z Ra25 μm na Ra8 μm. Díky tomu byl motor o 2 % účinnější.
Nerezová ocel 316L se používá pro implantaci lékařských zařízení. SLM tisk
Ortopedická společnost použila SLM k tisku kostních destiček z nerezové oceli 316L. Tolerance apertury byla nastavena na ± 0,02 mm a po elektrolytickém leštění drsnost povrchu Ra < 0,8 μm vyhovovala lékařskému standardu ISO 13485, což zkrátilo čas potřebný k integraci kosti o 30 %.
Baterie pro nové energetické vozidlo: AlSi10Mg Potištěno pomocí SLM
Nová firma vyrábějící energetická vozidla využívá SLM tištěné držáky bateriových sad ke změně velikosti zrna přidáním 0,5 % Sc prvku, což snižuje četnost lomu za tepla z 15 % na 0,5 %. Pevnost držáku se zvýší o 25 % a jeho hmotnost se sníží o 30 %, když je tepelně-zpracována pomocí T6 (530 stupňů stárnutí v tuhém roztoku + 170 stupňů).