Is er een significant verschil in de nauwkeurigheid van 3D-printen tussen verschillende metalen materialen?

1. Materiaaleigenschappen: de fysische en chemische eigenschappen die de mogelijkheid tot nauwkeurigheid beïnvloeden
De precisie van 3D-printen met metalen materialen is vooral te danken aan de wisselwerking tussen het thermodynamische gedrag van het materiaal tijdens het smelt- en stollingsproces en het procesmanagement. De veranderingen in de eigenschappen van de volgende vier veel voorkomende materialen hebben rechtstreeks invloed op hoe nauwkeurig hun afdrukken zijn:
Legering van titanium (zoals TC4/Ti-6Al-4V)
Titaniumlegeringen zijn sterk, licht en bestand tegen roest, maar kunnen alleen nauwkeurig worden bedrukt vanwege twee belangrijke redenen:
Hoge thermische krimp: TC4 heeft een lineaire uitzettingscoëfficiënt van 8,6 × 10 ⁻⁶/ graad, wat betekent dat het gemakkelijk restspanning kan veroorzaken wanneer het snel afkoelt, waardoor onderdelen kunnen kromtrekken en van vorm kunnen veranderen. Als u bijvoorbeeld geen gebruik maakt van heet isostatisch persen (HIP) na het printen van een mal voor het blad van een vliegtuigmotor, kunnen de afmetingen wel ± 0,3 mm afwijken. Na HIP-verwerking kunnen de afmetingen slechts ± 0,05 mm afwijken.
Lage laserabsorptiesnelheid: Titaniumlegering kan tot 60% van het laserlicht reflecteren, dus heeft het een hoge energiedichtheid nodig (doorgaans > 100 W/mm²) om gelijkmatig te smelten. Te veel energie kan echter spatten veroorzaken en de ruwheid van het oppervlak veranderen. U kunt de oppervlakteruwheid verlagen van Ra25 μm naar Ra10 μm door de scantechniek te veranderen (bijvoorbeeld door schaakbordscannen).
316L roestvrij staal is een voorbeeld.
Roestvast staal heeft een groot procesvenster en is niet erg gevoelig voor hittescheuren, waardoor het beter te bedrukken is:
Stabiel breed smeltbad: 316L smelt bij 1375 graden, en een stabiel smeltbad kan worden gemaakt met een laservermogen van 50 tot 200 W en een maatnauwkeurigheid van ± 0,05 mm. Een bedrijf dat medische hulpmiddelen maakt, gebruikte SLM-technologie om botplaten met een openingstolerantie van ± 0,02 mm te printen, wat voldeed aan de eisen voor het samenstellen van orthopedische implantaten.
Uniformiteit in de organisatie: Door het austenitische karakter van 316L is er minder kans op splitsing tijdens het drukproces. Bij gebruik met een vaste oplossingsbehandeling (isolatie op 1050 graden gedurende 1 uur en afschrikken met water) kunnen verbindingsfouten tussen de lagen worden verholpen, waardoor de levensduur tegen vermoeiing met 30% wordt verlengd.
Aluminiumlegering, zoals AlSi10Mg
Het grootste probleem bij het printen van aluminiumlegeringen is dat deze een hoge thermische geleidbaarheid hebben en gevoelig zijn voor barsten als deze heet wordt.
Er ontstaan ​​scheuren als iets snel afkoelt: AlSi10Mg heeft een thermische geleidbaarheid van 150 W/(m·K) en het smeltbad kan afkoelen met een snelheid van 10 ⁶ graad/s, waardoor het eenvoudig is om hete breuken te vormen aan de korrelgrenzen. Door het toevoegen van 0,5% Sc-element kan de korrelgrootte kleiner worden dan 1 μm, waardoor de scheursnelheid wordt verlaagd van 15% naar 0,5%.
Effect van oppervlakte-oxidefilm: Het aluminiumoppervlak zal waarschijnlijk een dikke oxidefilm (Al₂ O3) genereren, waardoor het poeder niet goed vloeit en betekent dat er moet worden afgedrukt met vacuüm-inerte gasbescherming. Na verbetering van het gascirculatiesysteem ging de oppervlakteruwheid van de beugel van een nieuw batterijpakket voor een energievoertuig van Ra50 μm naar Ra15 μm.
Op nikkel-gebaseerde hoge--legeringen, zoals Inconel 718
De uitdaging van legeringen voor hoge- temperaturen is het beheersen van de microstructuur bij zeer hoge temperaturen:
Neiging tot kolomvormige kristalgroei: Tijdens het printen heeft Inconel 718 de neiging kolomvormige kristallen te genereren die zich in de constructierichting ontwikkelen. Dit maakt het materiaal anisotroop. Door de scansnelheid (600–1000 mm/s) en de laagdikte (30–50 μm) te veranderen, kan de korrelgrootte van 500 μm naar 100 μm gaan, waardoor de treksterkte met 15% toeneemt.
Gevoeligheid voor microscheuren: De 'fase (Ni ∝ (Al, Ti)) zal waarschijnlijk ongelijkmatige afzettingen vormen wanneer deze snel afkoelt, wat microscheuren kan veroorzaken. Meer dan 90% van de microscheurtjes kunnen worden verwijderd door middel van een warmtebehandeling (720 graden isolatie gedurende 8 uur, gevolgd door luchtkoeling en 620 graden isolatie gedurende 8 uur).
2. Aanpassingsvermogen van het proces: een pad kiezen voor nauwkeurige implementatie
De precisie van 3D-printen met metaal hangt af van zowel het materiaal als de mate waarin het procestype aansluit. De volgende vier veel voorkomende processen hebben behoorlijk verschillende nauwkeurigheidsniveaus:
Laser Selective Melting (SLM) Precisievoordeel: De laserpuntdiameter van SLM kan zo klein zijn als 50 μm, de laagdikte kan tussen 20 en 60 μm liggen, de maatprecisie kan oplopen tot ± 0,05 mm en de oppervlakteruwheid Ra kan zo laag zijn als 10 μm. Een luchtvaartbedrijf gebruikte SLM om turbinebladen te printen en zorgde ervoor dat de tolerantie van het bladprofiel binnen ± 0,03 mm lag, wat luchtvaartmotoren nodig hebben om in elkaar gezet te kunnen worden.
Materiaalbeperkingen: Om materialen met een hoge reflectiviteit (zoals koper) meer te laten absorberen, moet je een groene laser (532 nm) of een blauwe laser (450 nm) gebruiken. De kosten van de apparatuur stijgen echter met 30% tot 50%.
Electron Beam Melting (EBM) Nauwkeurigheidskenmerken: EBM werkt in een vacuüm met veel energiedichtheid in de elektronenbundel (tot 10 ⁴ W/mm²), waardoor het goed is voor het printen van materialen met hoge smeltpunten, inclusief titaniumlegeringen. Een bepaalde fabrikant van orthopedische implantaten gebruikte EBM om heupgewrichtscups te printen. De oppervlakteruwheid was Ra kleiner dan of gelijk aan 8 μm, er was geen oxidelaag en de cups waren biocompatibeler dan die gemaakt met traditionele methoden.
Thermische spanningscontrole: EBM kan onderdelen verwarmen tot 700 graden Celsius, waardoor de restspanning en kromtrekken met 80% kan worden verminderd.
Directed Energy Deposition (DED) heeft een spuitmonddiameter van 0,8 tot 2 mm, een laagdikte van 0,5 tot 2 mm, een maatnauwkeurigheid van ± 0,5 mm en een oppervlakteruwheid van Ra20 tot 100 μm. Een bepaald bedrijf in luchtvaartmotoren gebruikte DED om een ​​turbineschijf te repareren. De reparatielaag en het substraat zijn met elkaar verbonden met een metallurgische sterkte van 400 MPa, wat voldoet aan de servicevereisten.
Efficiëntievoordeel: DED heeft een bezinkingssnelheid van 200 cm³/u, wat ruim 10 keer zo hoog is als SLM. Dit maakt het goed voor het fixeren of voorvormen van grote stukken.
Spuitlijm (BJ)
Potentieel voor precisie: BJ heeft een maatnauwkeurigheid van ± 0,1 mm en een oppervlakteruwheid van Ra20-60 μm. Wel dient het na de behandeling ontvet (400-600 graden) en gesinterd (1200-1300 graden) te zijn, waardoor het met 15% tot 20% krimpt. Een bepaald autobedrijf gebruikt BJ-geprinte vorminzetstukken en nadat deze klaar zijn, blijft de maat stabiel binnen ± 0,05 mm, wat nodig is voor massaproductie.
Kostenvoordeel: het enkele stuk van BJ kost 60% tot 70% minder dan SLM, wat het goed maakt voor situaties waarin gemiddelde precisie en grote schaal nodig zijn.
3. Typisch voorbeeld: praktische toepassingsverificatie van nauwkeurigheidsverschillen
Messen van titaniumlegering voor vliegtuigmotoren. Afdrukken met SLM
Eén luchtvaartbedrijf gebruikte SLM-technologie om TC4-mesjes van titaniumlegering te maken. Door scantechnieken (zoals spiraalscannen) en ondersteunende structuren (zoals roosterondersteuning) te verbeteren, ging de tolerantie van het bladprofiel van ± 0,1 mm naar ± 0,03 mm, en ging de oppervlakteruwheid van Ra25 μm naar Ra8 μm. Hierdoor werd de motor 2% efficiënter.
316L roestvrij staal wordt gebruikt voor de implantatie van medische apparaten. SLM-afdrukken
Een orthopedisch bedrijf gebruikte SLM om 316L roestvrijstalen botplaten te printen. De openingstolerantie werd ingesteld op ± 0,02 mm en na elektrolytisch polijsten voldeed de oppervlakteruwheid Ra < 0,8 μm aan de medische norm ISO 13485, waardoor de tijd die het bot nodig had om te integreren met 30% werd verkort.
Accupakket voor een nieuw energievoertuig: AlSi10Mg Bedrukt met SLM
Een nieuw energievoertuigbedrijf maakt gebruik van SLM-geprinte beugels voor accupakketten om de korrelgrootte te wijzigen door 0,5% Sc-element toe te voegen, waardoor het percentage warme breuken wordt verlaagd van 15% naar 0,5%. De sterkte van de beugel neemt toe met 25% en het gewicht daalt met 30% wanneer deze een hitte-behandeling krijgt met T6 (530 graden vaste oplossing + 170 graden veroudering).