Jak zabránit zkreslení tenkých stěn při kovovém 3D tisku?

Vzpomeňte si na gumičku, která se opakovaně zahřívá, natahuje a poté chladí, zatímco je stále omezená. To je zhruba to, co se děje vrstvu po vrstvě. Laser roztaví malý objem prášku při extrémní teplotě. Okolní materiál zůstává chladnější. Horká zóna se pokouší rozšířit, ale nemůže; když se ochladí a smrští, je opět držen pevným kovem kolem a pod ním. Zbytkové tahové napětí se hromadí na povrchu a tlakové napětí hlouběji uvnitř.

Tenké stěny nemají téměř žádnou ohybovou tuhost, takže i mírné zbytkové napětí způsobuje viditelné deformace nebo vybočení. Poté, co je díl vyříznut z konstrukční desky, mohou se uzamčená napětí uvolnit a tenké vnitřní stěny se pohybují jako první. Toto je hlavní důvod většinydeformace kovu 3D tiskemproblémy s vnitřními funkcemi.

Nárůst tepla a nerovnoměrné chlazení

Tenké části se ohřívají a ochlazují mnohem rychleji než objemné oblasti. Teplo také špatně vede sypkým práškem, takže vysoké štíhlé stěny se mohou lokálně přehřívat. Velké tepelné gradienty způsobují plastickou deformaci, která zůstává po sestavení.

Zbytkové napětí, které se uvolní po odříznutí stavební desky

Zatímco je díl stále připojen k silné základní desce, velká část napětí je vyvážena. Jakmile jsou podpěry a základna odstraněny, napětí se přerozdělí. Tenké vnitřní stěny jsou obvykle první prvky, které se pohybují. Orientace vzhledem k přelakovači a proudění plynu, poměr výšky a tloušťky stěny a ostré rohy, to vše zesiluje účinek.

Neexistuje jediné magické číslo. Absolutní procesní limity mohou za ideálních podmínek dosahovat 0,3–0,4 mm, ale stěny spolehlivé z výroby jsou silnější. Na geometrii, výšce, orientaci a slitině záleží. Následující rozsahy odrážejí praktickou minimální tloušťku stěny pro kovový 3D tisk používaný zkušenými poskytovateli služeb:

Stejně důležitý je poměr výšky a tloušťky. U vysoké nepodepřené stěny o tloušťce 0,6 mm je mnohem pravděpodobnější, že se vyboulí, než u krátké stěny stejné tloušťky. Tyto údaje tvoří praktický základ tenkostěnných návrhových směrnic pro výrobu kovových přísad.

Zvyšte tloušťku na bezpečnou hodnotu nebo přidejte místní žebra
Posun z absolutního minima na doporučené konstrukční minimum dramaticky zvyšuje tuhost. Tam, kde je kritická hmotnost nebo průtok, krátká vnitřní žebra nebo mříž často fungují lépe než zesílení celé stěny.

Ostré rohy nahraďte velkorysými filety
Ostré rohy fungují jako koncentrátory napětí a počáteční body vzpěru. Hladké přechody snižují místní špičky zbytkového napětí.

Vyhněte se velkým plochým rovinám jedné tloušťky
Nahraďte je vlnitými, důlky nebo mřížkou vyztuženými povrchy. Přidaná geometrická tuhost odolává deformaci mimo rovinu a často snižuje hmotnost.

Kontrola přechodů tloušťky
Náhlé skoky z tlustého do tenkého vytvářejí rozdílné chlazení a koncentrace napětí. Použijte postupné směsi.

Optimalizujte orientaci dílu
Vyhněte se stavbě tenkých stěn jako vysokých volně stojících vertikálních prvků, pokud je to možné. Mírné naklonění může zlepšit odvod tepla a snížit zbytkové napěťové momenty ramene páky.

Těchto pět změn přímo řeší geometrii řízené příčiny selhání tenkých stěn a pomáhá předcházet deformaci tenkých stěn při 3D tisku kovů ve fázi návrhu.

Chytré nosné konstrukce pro tenké stěny

Podpěry dělají víc, než jen drží díl nahoře. Dobře navržené podpěry fungují jako chladiče a mechanické zábrany během stavby. Pro tenké vnitřní stěny použijte hustší, ale přesto odstranitelné podpěry nebo obětovaná výztužná žebra, která lze později obrobit. Řídké podpěry pod dlouhými tenkými rozpětími téměř vždy způsobují problémy.

Strategie skenování a ladění parametrů

Skenování ostrůvků nebo šachovnic, snížená hustota energie v tenkých oblastech a optimalizovaná rozteč šraf pomáhají snížit špičkové zbytkové napětí. Některé systémy umožňují lokální sady parametrů pro tenké funkce. Předehřev stavební desky dále snižuje tepelné gradienty.

Tepelná úprava odlehčení pnutí před vyjmutím z desky

Jedná se o jeden z kroků s nejvyšším pákovým efektem. Provedení správného tepelného zpracování kovových 3D tištěných dílů, když je součást stále připojena k základní desce, umožňuje uvolnění napětí bez volné deformace. Typické teploty jsou závislé na slitině (kolem 650 stupňů pro 316L; nižší pro AlSi10Mg pro ochranu jemné mikrostruktury). Teprve po uvolnění napětí by měl být díl odříznut. Zkušení obchody považují tuto sekvenci za nesmlouvavou pro kritické tenkostěnné geometrie. Kompetentní výrobce kovového 3D tisku na tom bude trvat.

Zákazník potřeboval jádro výměníku tepla AlSi10Mg s vnitřními žebry o tloušťce pouze 0,7–0,9 mm a složitými chladicími kanály. První prototypy vykazovaly zřetelné prohnutí ploutví po odstranění podpory - naměřená odchylka dosahovala 0,4–0,6 mm na kritických ploutvích. Kanály již netěsnily a celková výška stohu byla mimo toleranci.

Revidovaný přístup kombinoval změny designu a procesu: lokální zesílení na 1,0–1,1 mm na nejkritičtějších žebrech, krátká výztužná žebra, velkorysá zaoblení na spojích, optimalizovaná orientace pro snížení vysokých svislých tenkých stěn, hustší podpora pod soustavou žeber a řízený cyklus odlehčení pnutí prováděný na konstrukční desce před oddělením.

Výsledek: naměřená odchylka žebra klesla pod 0,15 mm, výtěžnost prvního průchodu vzrostla ze zhruba 40 % na více než 90 % a výrobní plán byl obnoven bez úplného přepracování. Stejná sekvence se čistě škálovala od prototypu až po malosériovou výrobu.

Když je kritická přesnost tenkostěnných stěn, vyhodnoťte potenciální partnery v těchto bodech:

Prokázané zkušenosti s podobnými geometriemi tenkostěnných nebo vnitřních kanálků ve stejné slitině.

Možnost vlastního nebo přísně kontrolovaného tepelného zpracování (minimálně odlehčení od napětí).

Ochota poskytnout jasnou zpětnou vazbu od návrhu pro aditivum před prvním sestavením.

Metrologické schopnosti (CMM nebo optické skenování; CT, pokud jsou vnitřní kanály složité).

Záznam přechodu od prototypu ke stabilním malosériovým nebo velkoobchodním kovovým 3D tištěným dílům bez opakovaného zkreslení.

Schopná zakázková továrna na kovový 3D tisk považuje řízení zbytkového napětí za součást procesu, nikoli jako dodatečný nápad. Mohou také poskytovat služby 3D tisku kovů pro složité díly, které zahrnují nezbytnou sekvenci následného zpracování.

Kombinací rozumných voleb tloušťky stěny, geometrie, která odolává vybočení, inteligentních podpěr a strategií skenování a odlehčení pnutí, když je díl stále omezený, můžete spolehlivě zabránit zkreslení tenké stěny při 3D tisku kovů. Výsledkem jsou díly, které pasují napoprvé, vyšší výnosy a kratší celkové dodací lhůty.