Kunnen metalen 3D-printmatrijzen batchconsistentie bereiken?

一, Het grootste probleem met batchconsistentie is de "discontinuïteit" tussen het laboratorium en de werkplaats.
Het fundamentele principe van het 3D-printproces van metaal is 'laag voor laag smelten en stapelen', dat verschillende multidimensionale aspecten omvat, waaronder laserenergieregulering, uniformiteit van de poederdistributie en controle van de temperatuurgradiënt. In een laboratoriumomgeving is het eenvoudig om afzonderlijke matrijzen van hoge- kwaliteit te printen met behulp van precisietechnologie en beperkte ruimte. Als het echter om massaproductie gaat, worden de volgende problemen belangrijke variabelen die de consistentie beperken:
Materiaalschommelingen: Verschillen in metaalpoederbatches, zoals de grootteverdeling van de deeltjes, de hoeveelheid zuurstof en de hoeveelheid onzuiverheden, hebben een directe invloed op hoe goed het metaal vloeit en stolt tijdens het smeltproces. Dit kan leiden tot verschillen in grootte of prestatie in hetzelfde ontwerpmodel wanneer het in verschillende batches wordt afgedrukt. Als het zuurstofniveau in poeder van een titaniumlegering bijvoorbeeld met 0,01% stijgt, kan het vermogen om vermoeidheid te weerstaan ​​met 5% tot 10% afnemen.
Klein procesvenster: Veranderingen in laservermogen, scansnelheid en laagdikte van slechts een paar procent (zoals ± 1% vermogensveranderingen) kunnen scheuren, porositeit of vervorming veroorzaken. Zo moet de wanddikte van de interne koelkanalen van turbinebladen van vliegtuigmotoren tussen 0,3 en 0,5 mm worden gehouden. Als een van deze parameters verandert, kunnen de kanalen geblokkeerd raken of kan de structuur mislukken.
Stabiliteit van de apparatuur: naarmate de printtijden langer worden, zullen problemen met verouderde apparatuur, waaronder verlies van laserenergie, afwijkende nauwkeurigheid van het scannen van spiegels en veranderingen in de temperatuur van de vormholte, langzaam leiden tot meer fouten. Een internationale standaardgroep heeft een test uitgevoerd waaruit bleek dat de maatnauwkeurigheid van gedrukte materialen kon dalen van ± 20 μm naar ± 50 μm nadat een enkel apparaat 500 uur achter elkaar had gewerkt.
Onzekerheid na verwerking: Mallen moeten vaak worden gezandstraald en gepolijst nadat ze zijn gemaakt om te voldoen aan oppervlakteruwheidsnormen zoals Ra Kleiner dan of gelijk aan 0,8 μm. Deze methode kan nieuwe maatfouten veroorzaken, vooral in microstructuren zoals zijkanalen van conforme waterwegen, waarvan standaardbewerkingen niet altijd kunnen garanderen dat ze hetzelfde zijn.
2, Technologische doorbraak: het creëren van een mechanisme voor volledige ketencontrole dat consistentie garandeert
De industrie heeft langzaamaan een technologische barrière opgetrokken voor batchconsistentie door in vier dimensies samen te werken op het gebied van 'hardware, software, processen en materialen'. Met toonaangevende bedrijven als Yunyao Shenwei als voorbeeld kunnen hun oplossingen in drie hoofdcategorieën worden gegroepeerd:
1. Hardwarestabiliteit: problemen bij de bron oplossen
Poederverspreidingssysteem met hoge-precisie: maakt gebruik van een contactloos-poederwissel- en integraal cilinderwisselontwerp om te voorkomen dat poeders zich vermengen. De zuiverheid van het poeder is gestegen tot meer dan 99,9% dankzij trillingsscreening en technologieën voor het verwijderen van onzuiverheden door magnetische velden. De machines van Yunyao Shenwei kunnen bijvoorbeeld consistent de dikte van elke laag controleren tot op 2-10 μm, en ervoor zorgen dat het poeder zich gelijkmatig in elke laag verspreidt tot op ± 5 μm.
Gesloten-loopcontrole van laserenergie: door gebruik te maken van realtime- monitoring van laservermogen, puntvorm en energieverdeling, samen met dynamische compensatie-algoritmen, worden energieveranderingen binnen ± 0,5% gehouden. Een bepaald bedrijf produceerde een synchroon scansysteem met tien- lasers waarmee het afdrukken niet alleen vijf keer sneller gaat dan met standaardapparatuur, maar dat ook de oppervlakteruwheid verlaagt tot Ra van minder dan of gelijk aan 1,6 μm door de puntoverlapping te optimaliseren.
Omgevingscontrolesysteem: het heeft een temperatuurregelmodule met meerdere- zones en een inert gascirculatiesysteem in de vormholte. Het houdt de temperatuurgradiënt binnen ± 2 graden en de zuurstofconcentratie onder 50 ppm, waardoor kromtrekkende vervorming als gevolg van thermische spanning wordt gestopt.
2. Procesoptimalisatie: van ervaring-gebaseerd naar data-gebaseerd
Bibliotheek met parameters en processimulatie: Creëer een bibliotheek met procesparameters die veelgebruikte materialen zoals titaniumlegering en vormstaal bevat. Gebruik vervolgens eindige-elementenanalyse (FEA) om te simuleren hoe het gesmolten zwembad zich in de loop van de tijd zal gedragen, voorspel hoe het zal vervormen en om de ondersteuningsstructuren te verbeteren. Eén bedrijf gebruikte bijvoorbeeld simulatie om de afdrukvervorming van brandstofsproeiers van vliegtuigmotoren te verminderen van 0,8 mm naar 0,2 mm.
Online monitoring en feedback in een gesloten kringloop: Gebruik hoge-snelheidscamera's en infraroodthermometers tijdens het afdrukproces om belangrijke informatie, zoals de vorm van het gesmolten zwembad en de temperatuurveldverdeling, in realtime te verkrijgen. Gebruik machine learning-algoritmen om de scanpaden en energie-instellingen in een handomdraai te wijzigen. De intelligente procesbibliotheek van Yunyao Shenwei heeft meer dan 100.000 sets materiaalkenmerken gecombineerd. Met slechts één klik kan het de beste printoplossing vinden, waardoor de maatconsistentie beter wordt tot op ± 10 μm.
Afdrukken met meer dan één type materiaal: Om te voldoen aan de functionele behoeften van verschillende delen van de mal, zoals slijtvastheid en thermische geleidbaarheid, moet u de printtechnologie voor gradiëntmateriaal verbeteren. Er wordt bijvoorbeeld een laag koperlegering met uitstekende thermische geleidbaarheid op het oppervlak van een conformaal kanaal aangebracht, terwijl de hoofdstructuur is vervaardigd uit een zeer sterke titaniumlegering. Dit wordt gedaan met behulp van materiaalinterfacebeheertechnologie om een ​​naadloze verbinding te creëren.
3. Traceerbaarheid van kwaliteit: van het controleren van één item tot het controleren van het hele proces
Digital Twin: Creëer virtuele modellen voor elk apparaat, houd de werkstatus en printinstellingen van de daadwerkelijke apparatuur in realtime bij en gebruik data twin-technologie om te waarschuwen voor mogelijke problemen voordat ze zich voordoen. Deze technologie heeft één bedrijf geholpen de uitvaltijd van apparatuur met 40% te verminderen en de printproductie te verhogen tot 98,5%.
Een compleet traceerbaarheidssysteem voor de proceskwaliteit, inclusief het beheer van poederbatches, het in de gaten houden van het drukproces en het testen van het voltooide product, die allemaal een gesloten-dataketen vormen. Elke matrijs heeft bijvoorbeeld zijn eigen digitale label dat kan worden gescand om de printapparatuur, parameterinstellingen, poederbatch en testrapport te vinden. Dit maakt het gemakkelijk om fouten te ontdekken en mensen verantwoordelijk te houden.
Normen voor gestandaardiseerde tests: help bij het opstellen van internationale normen voor zaken als mechanische eigenschappen (zoals treksterkte en levensduur), maatnauwkeurigheid (zoals CT-scan, drie-dimensionale afwijkingsanalyse), oppervlaktekwaliteit (zoals witlichtinterferometermeting) en meer. Dit zal de industrie helpen op een gestandaardiseerde manier te groeien.
3, Industrialisatiepraktijk: grootschalige toepassing van luchtvaart tot gezondheidszorg
We moeten de werkelijke waarde van technologische vooruitgang testen door deze in de industrie te gebruiken. Op dit moment kunnen metalen 3D-printmatrijzen batches producten maken die consistent zijn in veel hoogwaardige- velden:
Lucht- en ruimtevaart: De COMAC C929 maakt gebruik van SLM-technologie om vleugelsteunen van een titaniumlegering te printen. Er wordt een maatafwijking bereikt van minder dan of gelijk aan ± 15 μm bij batchproductie van 200 stuks door multi-lasersamenwerking en gesloten-loopcontrole. Het doorstaat ook de vermoeidheidstests en vermindert het gewicht met 15%. De regeneratieve koelkanaaltopologie heeft de stuwkrachtkamer van de SpaceX-raket verbeterd, waardoor de printcyclus van de gebruikelijke 6 maanden naar 3 weken is teruggebracht en 500 hittecyclustests zonder fouten mogelijk zijn.
Medische mal: 3D-geprinte mal voor een poreus interbody-fusieapparaat van titaniumlegering dat de injectiecyclus verkort van 120 seconden naar 45 seconden en het productcertificeringspercentage verhoogt van 85% naar 99%; De op maat gemaakte tandkroonmal van kobaltchroomlegering kan in slechts 2 weken tot 3 dagen worden aangepast, en wanneer er 5000 stuks in één keer worden gemaakt, ligt de maat altijd binnen ± 20 μm.
Automatrijs: een nieuw energievoertuigbedrijf gebruikte 3D-printen om mallen voor accudozen te maken, waardoor de lasprocedure van 12 naar 3 werd teruggebracht en de carrosserie 20% stijver werd. Het zette een productielijn voor 3D-printen op die 50.000 stuks per jaar kan maken. De kosten per stuk zijn 35% lager dan bij traditionele methoden.