Zijn de kosten van warmtebehandeling voor 3D-printen van metaal hoog?

一, De belangrijkste rol van warmtebehandeling bij het 3D-printen van metaal
Metaal 3D-printen maakt ingewikkelde structuren door metaalpoeder laag voor laag te smelten, maar dit proces kent drie grote problemen:
Restspanning: Snelle verwarming en koeling met een laser kan de vorm van het rooster veranderen, waardoor onderdelen kunnen barsten of buigen.
Organisatorische tekortkomingen: niet--evenwichtstolling creëert grove kenmerken zoals kolomvormige kristallen en dendrieten, die materialen minder sterk maken.
Ongelijkmatige prestaties: er kunnen zich gemakkelijk zwakke grensvlakken vormen op de verbindingen tussen de lagen, wat de levensduur van het materiaal verkort.
Door het temperatuurveld en het faseovergangsproces zorgvuldig te beheren, kan warmtebehandeling drie hoofddoelen bereiken:
Stressverlichting: Door de gloeibehandeling worden de overgebleven spanningen verwijderd en worden de afmetingen stabieler.
Organisatorische optimalisatie: Het verkrijgen van een uniforme en fijne gelijkassige kristalstructuur door gebruik te maken van een solide oplossing en verouderingsbehandeling.
Prestaties verbeteren: Controle van de vorm van de precipitatiefasen om een ​​balans te vinden tussen sterkte en taaiheid.
Zo werd SLM-technologie gebruikt om een ​​specifiek vliegtuigmotorblad te maken, dat vervolgens werd behandeld met een oplossing op 1050 graden en verouderd op 550 graden. De treksterkte ging van 850 MPa naar 1200 MPa en de levensduur tegen vermoeidheid ging drie keer omhoog.
2, Een multidimensionale blik op de kostenverdeling van warmtebehandeling
1. Kosten van apparatuur: de kosten van nauwkeurige controle
Om metalen 3D-geprinte objecten met warmte te behandelen, hebt u speciaal gereedschap nodig:
Een vacuümoven voorkomt dat actieve metalen zoals titaniumlegeringen gaan roesten. Het kost twee tot drie keer zoveel als een gewone oven.
Laserwarmtebehandelingssysteem: gebruikt om het oppervlak van een klein gebied te veranderen, en de apparatuur kost meer dan 5 miljoen yuan.
Een intelligent besturingssysteem moet infraroodtemperatuurmeting, atmosfeercontrole en andere modules omvatten. De waarde van één enkel systeem is meer dan een miljoen yuan.
Een bepaald bedrijf zegt dat de afschrijving van warmtebehandelingsapparatuur 18% tot 25% van de eenheidskosten bedraagt, en dit percentage stijgt snel naarmate de nauwkeurigheid van de apparatuur verbetert.
2. Energiekosten: hoge temperaturen zorgen voor een zwart gat op de lange- termijn voor energieverbruik.
Normale instellingen voor het warmtebehandelingsproces:
Oplossingsbehandeling: 4 tot 6 uur isolatie bij 1000–1050 graden
Tijdbehandeling: houd de isolatie 8-12 uur op 160–180 graden.
Stressverlichtend gloeien: houd het gedurende 2-4 uur op 300-400 graden.
Er is bijvoorbeeld 120–150 kWh energie nodig om één stuk Ti6Al4V dat met behulp van SLM is gemaakt, met warmte te behandelen. De stroomkosten bedragen meer dan 15% als u een elektrische verwarmingsoven gebruikt. Als u een gasverwarmingsoven gebruikt, bespaart u 40% op de energiekosten, maar moet u meer uitgeven aan apparatuur om de uitlaatgassen op te ruimen.
3. Materiaalkosten: het efficiëntiespel van recyclingpoeder
Warmtebehandeling kan tot materiaalverlies leiden:
Oxidatieverbranding: Wanneer metaal tot hoge temperaturen wordt verwarmd, ontstaat er een oxidatiehuid op het oppervlak. Het verliespercentage bedraagt ​​0,5% tot 1,2%.
Verlies van vluchtige stoffen: Metalen met lage kookpunten, zoals magnesiumlegeringen, verdampen bij hoge temperaturen en verliezen meer dan 2% van hun gewicht.
Ondersteunende structuur: Het ontwerpen van complexe interne stroomkanaalonderdelen met verwijderbare steunen verhoogt de mate van materiaalverspilling met 5% tot 8%.
Het poederrecyclingsysteem kan de benuttingsgraad verhogen tot 92%-95%, maar het probleem dat gerecycled poeder zijn effectiviteit verliest moet nog worden opgelost. Uit een onderzoek bleek dat na drie toepassingen de zuurstofconcentratie van Ti6Al4V-poeder met 0,03% steeg, waardoor de vermoeiingssterkte van de componenten met 12% daalde.
4. Tijdkosten: de procesketen kent een efficiëntieknelpunt
Een typische warmtebehandelingscyclus ziet er als volgt uit:
Voor behandeling: reinigen, vrijdragend, zandstralen (2–4 uur)
Verwarming, isolatie en koeling (8 tot 24 uur) maken allemaal deel uit van de warmtebehandeling.
Na-verwerking: de draad doorknippen, polijsten en testen (3-6 uur)
Een bepaald bedrijf in auto-onderdelen zegt dat de warmtebehandelingsprocedure 60% tot 70% van de gehele productiecyclus van 3D-printen uitmaakt. Dit is een belangrijke reden waarom de leveringen traag zijn.
3, Technisch pad voor het verlagen van de kosten
1. Verander de manier waarop dingen worden gedaan: maak de warmtebehandelingscyclus korter.
Bij de snelle uitgloeitechniek wordt gebruik gemaakt van verwarming met een hoge-vermogensdichtheid, waardoor de tijd die nodig is om een ​​oplossing te behandelen wordt teruggebracht van 6 uur naar 2 uur.
Gegradueerd verouderingsproces: Door de temperatuur in verschillende fasen te regelen, wordt de totale isolatietijd verkort, terwijl de prestaties nog steeds goed zijn.
Lokale behandeling met inductieverwarming: alleen de belangrijkste onderdelen worden verwarmd, waardoor het energieverbruik met meer dan 70% wordt verlaagd.
Een bepaald vliegtuigbedrijf gebruikte snelgloeitechnologie om de kosten van de warmtebehandeling van Ti6Al4V-onderdelen met 35% te verlagen en de microstructuur consistenter te maken met 20%.
2. Upgrade apparatuur: maak beter gebruik van energie
Vacuüm lage-carboneeroven: houd de druk in de lucht tussen 10 en 100 Pa om minder gas te gebruiken.
Systeem voor terugwinning van afvalwarmte: het gebruik van de restwarmte van koelwater om nieuwe onderdelen te verwarmen, waardoor het totale energieverbruik met 18% wordt verminderd.
Slim temperatuurcontrolesysteem: maakt gebruik van machinaal leren om de verwarmingscurve te verbeteren en de noodzaak van herhaalde verwerking als gevolg van temperatuurveranderingen te verminderen.
Nadat een bepaalde fabrikant van apparatuur een intelligent temperatuurbeheersysteem ging gebruiken, steeg het kwalificatiepercentage voor warmtebehandeling van 82% naar 95% en daalden de kosten per eenheid met 22%.
3. Materialen verbeteren: legeringssystemen maken die goedkoop zijn
Gedeeltelijke printtechnologie: gebruik van aluminiumlegeringen in onderdelen die niet veel gewicht hoeven te dragen en titaniumlegeringen in onderdelen die dat wel moeten doen, waardoor de materiaalprijzen met 40% worden verlaagd.
Nano-gemodificeerd poeder: Door 0,5% nanodeeltjes toe te voegen, wordt de warmtebehandelingstemperatuur met 50 graden Celsius verlaagd en het energieverbruik met 30% verlaagd.
Geregenereerd poeder gebruiken: Maak een model van hoe de prestaties van het poeder in de loop van de tijd zullen veranderen, zodat de productie na minstens vijf keer gebruik stabiel blijft.
De roestvrijstalen Mg Zn Ca-magnesiumlegering, gemaakt door een bepaald onderzoeksteam, werkte net zo goed als een aluminiumlegering in zoutsproeitests en verlaagde de kosten voor oppervlaktebehandeling met 60%.
4. Procesreengineering: het samenbrengen van productie en warmtebehandeling
Geïntegreerde apparatuur voor warmtebehandeling van het printen: er is een inductieverwarmingsmodule ingebouwd in de printkamer om in-situ uitgloeien mogelijk te maken.
Digital Twin-technologie: gebruik van simulatie om de beste procesparameters te vinden en de kosten van vallen en opstaan ​​te verminderen.
Geautomatiseerde productielijn: het combineren van modules zoals reiniging, warmtebehandeling en detectie om de arbeidskosten met de helft te verminderen.
Een specifiek bedrijf bouwde een slimme fabriek die de totale kosten van 3D-geprinte onderdelen met 42% verlaagde door de manier waarop ze worden gemaakt te veranderen. De kosten van warmtebehandeling daalden van 25% naar 14%.