Wat is na-verwerking voor 3D-printen van metaal? Waarom is na-verwerking nodig?

一, Wat na-nabewerking voor 3D-printen van metaal is en wat de belangrijkste doelen ervan zijn
Na-de verwerking van 3D-metaalprinten is een reeks stappen die worden uitgevoerd op geprinte onderdelen nadat de metaaladditieve productie is voltooid. Deze stappen omvatten het repareren, optimaliseren en verwerken van de onderdelen om productiefouten te verhelpen, prestatie-indicatoren te verbeteren en aan de behoeften van bepaalde toepassingen te voldoen. De belangrijkste doelstellingen ervan kunnen als volgt worden samengevat:

Kwaliteitsverbetering: reken af ​​met problemen zoals verbindingsfouten tussen de lagen en ruwe oppervlakken die onderdelen minder betrouwbaar maken.
Prestatieoptimalisatie: Warmtebehandeling, oppervlaktemodificatie en andere behandelingen kunnen belangrijke eigenschappen van materialen zoals sterkte, hardheid en weerstand tegen corrosie verbeteren.
Maatcorrectie: Compenseer thermische vervorming en krimp die optreden tijdens het printen om ervoor te zorgen dat de stukken voldoen aan de ontwerptolerantie-eisen.
Functionele integratie: stukken ingewikkelder maken door de structuur te versterken of verschillende materialen te combineren.
In de lucht- en ruimtevaartindustrie wordt 3D-printen van metaal bijvoorbeeld gebruikt om het algemene frame van een bepaald type brandstoftank voor raketmotoren te maken. Vervolgens wordt een behandeling met heet isostatisch persen (HIP) gebruikt om eventuele interne poriën te verwijderen. Daarna wordt CNC-frezen gebruikt om het afdichtingsoppervlak vorm te geven en wordt een anodisatiebehandeling gebruikt om het beter bestand te maken tegen corrosie. Deze reeks procedures na verwerking maakt de onderdelen 30% sterker, 40% lichter en kunnen onder zeer zware omstandigheden worden afgedicht.

2, Het belangrijkste technologiesysteem voor nabewerking
Er zijn vier technologische modules in de na-verwerking van 3D-printen van metaal: materiaalverwijdering, warmtebehandeling, oppervlaktebehandeling en structurele versterking. Elke module maakt deel uit van een grotere oplossing die voor uiteenlopende situaties werkt.

1. Materiaalverwijdering: snijden met nauwkeurigheid van "ruw" tot "fijn"
3D-geprinte metalen voorwerpen kunnen vaak niet meteen worden gebruikt, omdat ze overgebleven steunstructuren en ruwe oppervlakken hebben (Ra-waarden kunnen oplopen tot 10-20 μm). De materiaalverwijderingstechniek maakt gebruik van mechanische bewerking, lasersnijden of chemische corrosie om het volgende te bereiken:

Om de steunstructuur te verwijderen, gebruikt u cryogene -ondersteunde peeling- of mechanische snijgereedschappen om ervoor te zorgen dat de steun volledig wordt verwijderd zonder het afgedrukte object te beschadigen. Een bedrukt deel van een autowielnaaf wordt bijvoorbeeld bij een lage temperatuur bevroren, waardoor de draagstructuur kwetsbaar wordt en gemakkelijker loslaat. Dit verhoogt de efficiëntie met 50%.
Afwerking van het oppervlak: CNC-frezen, slijpen of polijsten kan de oppervlakteruwheid minder dan Ra0,8 μm maken. Er werd gebruik gemaakt van een vijf--assig bewerkingscentrum met koppelingen om het oppervlak van het stroomkanaal te spiegelpolijsten na het printen van de bladen van een bepaalde vliegtuigmotor. Dit verminderde de luchtstroomweerstand met 15%.
Maatcorrectie: Gebruik een coördinatenmeetapparatuur om feedbackgegevens te verkrijgen en eventuele veranderingen in de maat die tijdens het afdrukken optreden, op te lossen met behulp van mechanische verwerking. Microfreestechnologie houdt de maatnauwkeurigheid van een geprint implantaat van een medisch apparaat binnen ± 0,01 mm, wat nodig is voor chirurgische inbrenging.
2. Warmtebehandeling: een gamechanger-in het beheersen van de prestaties van microstructuren
Warmtebehandeling verwijdert restspanningen die zich tijdens het printen opbouwen (tot 50% tot 70% van de vloeigrens van het materiaal) en verbetert de korrelstructuur van het materiaal door de verwarmings- en afkoelcurve te reguleren. Enkele veel voorkomende methoden zijn:

Gloeibehandeling: Verwarm het gedeelte onder de temperatuur waarbij het kan herkristalliseren en houd het warm om interne spanningen weg te nemen en het flexibeler te maken. Een vacuümgloeibehandeling verminderde de restspanning met 80% en verdrievoudigde de levensduur van een orthopedisch implantaat van titaniumlegering nadat het was geprint.
Behandeling met vaste oplossing en veroudering: voor materialen zoals nikkel-gebaseerde hoge--legeringen lost behandeling met vaste oplossing de versterkingsfase op, waarna de verouderingsbehandeling fijne neerslagen veroorzaakt, waardoor de sterkte bij hoge- temperaturen aanzienlijk toeneemt. Na het printen van de turbineschijf voor een bepaalde luchtvaartmotor verbeterde een vaste oplossing en een verouderingsbehandeling de kruipweerstand bij 650 graden met 40%.
Heet isostatisch persen (HIP) maakt gebruik van zowel hoge temperaturen (doorgaans 0,7–0,9 keer het smeltpunt van het materiaal) als hoge druk (100–200 MPa) om interne poriën te verwijderen en het materiaal dichter te maken. Na het printen van een specifiek deel van een satellietstructuur verhoogde de HIP-verwerking de dichtheid van 99,2% naar 99,95% en de vermoeidheidslimiet met 25%.
3. Oppervlaktebehandeling: van "functionalisering" naar "intelligentisering" in oppervlaktetechniek
Door de oppervlaktemorfologie of chemische samenstelling van objecten te wijzigen, geeft de oppervlaktebehandelingstechnologie ze specifieke kenmerken, waaronder weerstand tegen corrosie, slijtage en biocompatibiliteit. Enkele veel voorkomende technologieën zijn:

Zandstralen en polijsten: Bij zandstralen worden snel-bewegende zanddeeltjes gebruikt die het oppervlak raken, waardoor het gelijkmatig ruw wordt (Ra3,2–6,3 μm) en de coating beter blijft plakken. Polijsten maakt het oppervlak vervolgens nog gladder, onder Ra0,4 μm, om aan optische of afdichtingsbehoeften te voldoen.
Galvaniseren en chemisch plateren zijn twee manieren om lagen metaal of legering aan het oppervlak van voorwerpen toe te voegen om ze beter bestand te maken tegen roest of beter in het geleiden van elektriciteit. Een vernikkelingsbehandeling verminderde de corrosiesnelheid met 90% in een 3,5% NaCl-oplossing na het printen van een specifiek maritiem technisch onderdeel.
Lasercladding: een laserstraal met hoge-energie smelt legeringspoeder en vormt een coating van 0,1–5 mm dik op het oppervlak van het item. Hierdoor is het veel beter bestand tegen slijtage. Lasercladding van een coating van een Stellite 6-legering verhoogde de slijtvastheid van de tandwielen van een bepaald mijnbouwapparatuur vijf keer nadat ze waren geprint.
Microboogoxidatie: Er wordt een keramische oxidefilm op het oppervlak van aluminium- en magnesiumlegeringen aangebracht om ze beter bestand te maken tegen slijtage en corrosie. Microboogoxidatiebehandeling verhoogde de corrosieweerstandstijd tot meer dan 1000 uur in de zoutsproeitest na het printen van de beugel voor een nieuw accupakket voor een energievoertuig.
4. Structurele versterking: verandering van de prestaties van "enkel materiaal" naar "composietstructuur"
Door versterkingsfasen toe te voegen of de routes voor belastingoverdracht te verbeteren, zorgt de technologie voor structurele versterking ervoor dat onderdelen over het geheel genomen mechanisch beter werken. Enkele veel voorkomende manieren zijn:

Vezelversterking: het plaatsen van koolstof- of keramische vezels in een metalen matrix om een ​​composietmateriaalstructuur te maken. Na het printen werd een bepaald deel van de structuur van een vliegtuig sterker gemaakt door het toevoegen van korte koolstofvezels, waardoor het qua specifieke sterkte 30% sterker werd.
Materialen ontwerpen met kleurverlopen: U kunt de kwaliteiten van het materiaal variëren door de poedermix of de printparameters te wijzigen. De gedrukte onderdelen van een kernenergieklep hebben een gradiëntstructuur van roestvrij staal op basis van nikkel-. Dit maakt ze 40% beter bestand tegen vermoeidheid in een thermische-mechanische koppelingsomgeving.
Ontwerp van roosterstructuren: Gebruik van topologie-optimalisatie om lichtgewicht roosterstructuren te maken die meer dan 50% lichter maar toch sterk zijn. Na het printen van een specifieke satellietbeugel krijgt deze een tetraëdrische roosterstructuur, waardoor deze twee keer zo stijf en 60% lichter wordt.
3, De behoefte aan nabewerking-: een sprong van 'technische haalbaarheid' naar 'technische betrouwbaarheid'
De behoefte aan na-verwerking bij het 3D-printen van metaal komt voort uit het conflict tussen de fundamentele kenmerken van additieve productietechnologie en de strenge eisen van technische toepassingen. Concreet wordt de noodzaak ervan gezien in de volgende aspecten:

1. Werk productiefouten weg en zorg ervoor dat het product werkt zoals het hoort.
Thermische spanning door snelle opwarming en afkoeling, poriën die ontstaan ​​wanneer het poeder niet volledig versmelt, en een zwakke verbinding tussen de lagen kunnen er allemaal voor zorgen dat de stukken minder duurzaam zijn en sneller breken tijdens het 3D-printproces van metaal. De vermoeidheidslimiet van op nikkel-gebaseerd hoge- temperatuurlegeringen zonder HIP-behandeling kan bijvoorbeeld minder dan 50% bedragen van die van gesmede onderdelen; na uitgloeien om restspanning te verwijderen, kan de levensduur van het gesmede onderdeel echter meer dan 80% bedragen.

2. Voldoe aan prestatiedoelstellingen en verbreed het scala aan toepassingen
De vereisten voor de prestaties van onderdelen variëren sterk, afhankelijk van de toepassing. In de lucht- en ruimtevaartindustrie moeten onderdelen goed werken in omgevingen met hoge temperaturen, hoge drukken en hoge trillingen. Op het gebied van medische hulpmiddelen moeten onderdelen biocompatibel zijn en bestand tegen corrosie door lichaamsvloeistoffen. De auto-industrie houdt zich meer bezig met het lichter en goedkoper maken van onderdelen. Dankzij post-verwerkingstechnologie kunnen metalen 3D-geprinte artikelen aan deze specifieke behoeften voldoen door ze voor die doeleinden te optimaliseren. Zo kan de verbrandingskamer van een bepaald type vliegtuigmotor na het printen bij een hoge temperatuur van 1200 graden nog steeds structureel gezond zijn, dankzij warmtebehandeling en coatingbehandeling. Na het printen van een op maat gemaakt orthopedisch implantaat van titaniumlegering, werd de oppervlakteruwheid teruggebracht tot Ra0,2 μm door middel van een zuurpolijstbehandeling, waardoor de hechting van botcellen aanzienlijk verbeterde.

3. Maak de economie efficiënter en stimuleer grootschalige toepassingen
3D-printen met metaal is goedkoper voor het maken van ingewikkelde structuren, maar de kosten van de grondstoffen (zoals titaniumlegeringspoeder, dat enkele honderden yuan per kilogram kost), de afschrijving van de apparatuur en de gebruikte energie zijn nog steeds behoorlijk hoog. Nabewerkingstechnologie verlaagt de totale levenscycluskosten door beter gebruik te maken van materialen (bijvoorbeeld door meer dan 80% van het poeder terug te winnen), door het uitvalpercentage te verlagen (bijvoorbeeld door het verlagen van het defectpercentage door online detectie en realtime- correctie) en door de levensduur van onderdelen te verlengen (bijvoorbeeld door onderdelen beter bestand te maken tegen corrosie door middel van oppervlaktebehandeling). Een bepaalde productielijn voor het printen van autowielnaven heeft bijvoorbeeld de tijd die nodig is om één stuk te produceren, teruggebracht van 8 uur naar 2 uur door een geautomatiseerd post-systeem toe te voegen. Dit heeft geleid tot een totale kostenbesparing van 35%.