Высокая ли стоимость термообработки при 3D-печати металлом?

一, Основная роль термообработки в 3D-печати металла
3D-печать металлом создает сложные конструкции путем плавления металлического порошка по одному слою за раз, но у этого процесса есть три большие проблемы:
Остаточное напряжение: быстрый нагрев и охлаждение с помощью лазера может изменить форму решетки, что может привести к растрескиванию или изгибу деталей.
Организационные недостатки: не-неравновесное затвердевание создает грубые элементы, такие как столбчатые кристаллы и дендриты, которые делают материалы менее прочными.
Неравномерность работы: на межслоевых стыках легко образуются слабые границы раздела, что сокращает срок службы материала.
Тщательно управляя температурным полем и процессом фазового перехода, термообработка может достичь трех основных целей:
Снятие напряжения: обработка отжигом избавляет от остаточного напряжения и делает размеры более стабильными.
Организационная оптимизация: получение однородной и тонкой равноосной кристаллической структуры с использованием твердого раствора и обработки старением.
Улучшение производительности: контроль формы осаждающихся стадий для нахождения баланса между прочностью и вязкостью.
Например, технология SLM использовалась для изготовления специальной лопатки авиационного двигателя, которую затем обрабатывали раствором при 1050 градусах и состаривали при 550 градусах. Предел прочности увеличился с 850 МПа до 1200 МПа, а усталостная долговечность увеличилась в три раза.
2. Многомерный взгляд на структуру затрат на термообработку.
1. Стоимость оборудования: стоимость точного контроля.
Для термообработки металлических 3D-печатных объектов необходимы специальные инструменты:
Вакуумная печь предотвращает ржавление активных металлов, таких как титановые сплавы. Стоит она в два-три раза дороже обычной печи.
Система лазерной термообработки: используется для изменения поверхности небольшой площади, стоимость оборудования превышает 5 миллионов юаней.
Интеллектуальная система управления должна включать в себя инфракрасное измерение температуры, контроль атмосферы и другие модули. Стоимость одной системы превышает один миллион юаней.
Одна компания утверждает, что износ оборудования для термообработки составляет от 18% до 25% стоимости единицы продукции, и этот процент быстро растет по мере повышения точности оборудования.
2. Стоимость энергии. Высокие температуры создают долгосрочную-черную дыру, потребляющую энергию.
Нормальные настройки процесса термообработки:
Обработка раствором: от 4 до 6 часов изоляции при температуре 1000–1050 градусов.
Время обработки: выдержать утеплитель при температуре 160–180 градусов в течение 8–12 часов.
Отжиг для снятия напряжения: держите при температуре 300–400 градусов в течение 2–4 часов.
Например, на термообработку одной детали Ti6Al4V, изготовленной с помощью SLM, требуется 120–150 кВтч энергии. Затраты на электроэнергию составляют более 15%, если использовать электрическую нагревательную печь. Если вы используете газовую нагревательную печь, вы сэкономите 40% на затратах на электроэнергию, но вам придется потратить больше средств на оборудование для очистки выхлопных газов.
3. Стоимость материала: игра по повышению эффективности переработки порошка
Термическая обработка может привести к потерям материала:
Окислительный ожог: при нагревании металла до высоких температур на его поверхности возникает оксидная пленка. Уровень потерь составляет от 0,5% до 1,2%.
Потеря летучих веществ. Металлы с низкой температурой кипения, такие как магниевые сплавы, испаряются при высоких температурах, теряя более 2% своего веса.
Несущая конструкция: проектирование сложных частей внутреннего канала потока со съемными опорами увеличивает уровень отходов материала на 5–8%.
Система переработки порошка может поднять коэффициент использования до 92–95%, однако проблему потери эффективности переработанного порошка еще предстоит решить. Исследование показало, что после трех использований концентрация кислорода в порошке Ti6Al4V увеличилась на 0,03%, что привело к снижению усталостной прочности компонентов на 12%.
4. Затраты времени: в технологической цепочке есть узкое место, связанное с эффективностью.
Типичный цикл термообработки выглядит следующим образом:
До обработки: очистка, без опоры, пескоструйная обработка (2–4 часа)
Нагревание, изоляция и охлаждение (от 8 до 24 часов) являются частью термической обработки.
Последующая-обработка: резка проволоки, полировка и тестирование (3–6 часов).
Одна фирма по производству автомобильных запчастей утверждает, что процедура термообработки составляет от 60% до 70% всего производственного цикла 3D-печати. Это основная причина медленной доставки.
3. Технический путь снижения затрат
1. Изменить способ работы: сократить цикл термообработки.
Метод быстрого отжига использует нагрев с высокой-плотностью мощности, что позволяет сократить время обработки раствора с 6 часов до 2 часов.
Поэтапный процесс старения: контроль температуры в несколько этапов позволяет сократить общее время изоляции, сохраняя при этом хорошие характеристики.
Локальная обработка индукционным нагревом: нагреваются только самые важные части, что снижает потребление энергии более чем на 70%.
Одна авиастроительная компания применила технологию быстрого отжига, чтобы снизить стоимость термообработки деталей из Ti6Al4V на 35% и сделать микроструктуру более однородной на 20%.
2. Модернизация оборудования: более эффективное использование энергии.
Вакуумная печь для цементации-низкого давления: поддерживайте давление воздуха в пределах от 10 до 100 Па, чтобы использовать меньше газа.
Система рекуперации отходящего тепла: использование отходящего тепла охлаждающей воды для нагрева новых деталей, что снижает общее потребление энергии на 18%.
Интеллектуальная система контроля температуры: использует машинное обучение для улучшения кривой нагрева и сокращения необходимости повторной обработки, вызванной изменениями температуры.
После того, как один производитель оборудования начал использовать интеллектуальную систему управления температурой, степень аттестации термообработки выросла с 82% до 95%, а себестоимость единицы продукции снизилась на 22%.
3. Улучшение материалов: создание дешевых систем сплавов.
Технология частичной печати: использование алюминиевого сплава в деталях, которые не должны выдерживать большой вес, и титанового сплава в деталях, которые должны выдерживать большой вес, что снижает цены на материалы на 40%.
Наномодифицированный порошок: добавление 0,5% наночастиц снижает температуру термообработки на 50 градусов Цельсия и сокращает потребление энергии на 30%.
Использование регенерированного порошка: создайте модель того, как характеристики порошка будут меняться с течением времени, чтобы производство оставалось стабильным как минимум после пяти использований.
Нержавеющий магниевый сплав Mg Zn Ca, созданный определенной исследовательской группой, показал себя так же хорошо, как и алюминиевый сплав, в испытаниях в солевом тумане и сократил затраты на обработку поверхности на 60%.
4. Реинжиниринг процессов: объединение производства и термообработки.
Комплексное оборудование для термообработки печати: внутри печатной камеры встроен модуль индукционного нагрева, позволяющий осуществлять отжиг in-in situ.
Технология цифровых двойников: использование моделирования для поиска оптимальных параметров процесса и сокращения затрат на метод проб и ошибок.
Автоматизированная производственная линия: сочетание таких модулей, как очистка, термообработка и обнаружение, позволяет сократить трудозатраты вдвое.
Конкретная компания построила умную фабрику, которая снизила общую стоимость 3D-печатных деталей на 42% за счет изменения способа их изготовления. Стоимость термообработки снизилась с 25% до 14%.