Каковы риски неполного удаления порошка при 3D-печати металлом?

一, Дефект процесса: остатки порошка делают качество напечатанных деталей непредсказуемым.
1. Слишком большая шероховатость поверхности и проблемы со структурой.
3D-печать металлом создает вещи путем плавления металлического порошка по одному слою за раз. Если остатки порошка не очистить полностью, на поверхности печатного изделия появятся неровности или дырочки. Например, при печати лопастей авиационных двигателей остатки порошка титанового сплава могут сделать поверхность более шероховатой, чем должна быть, что может привести к ухудшению характеристик самолета. Остатки порошка могут ограничить путь лазерного сканирования, что может привести к дефектам несварки. Эти дефекты делают детали намного более слабыми и более склонными к поломкам.


2. «Зона блокировки порошка» внутри сложных конструкций.
Проблема остатков порошка наиболее заметна в сложных секциях, имеющих каналы охлаждения, сотовые прослойки или кольцевые каналы потока. Например, головка впрыска некоторых двигателей с жидким кислородом/керосином имеет сотни отверстий, расположенных в шахматном порядке. Когда люди впервые начали использовать регулярную очистку воздушным потоком и вибрацией, содержание остаточного порошка достигало 8%. Эти остатки порошков могут окисляться и расти при изменении температуры, что может заблокировать каналы охлаждения и вызвать сбой в охлаждении во время испытаний на сгорание двигателя. В некоторых случаях они могут даже вызвать структурные катастрофы.

3. Угрозы безопасности, связанные с имплантатами с пористой структурой.
В медицине проблема остатков порошка в пористых ортопедических имплантатах, напечатанных на 3D-принтере (таких как устройства для межпозвонкового спондилодеза и вертлужные чашки), напрямую связана с безопасностью пациентов. Если металлический порошок не удален полностью, его частицы могут отделиться из-за трения или эрозии жидкости после введения имплантата в организм. Это может вызвать воспаление или отложение ионов металлов, что может привести к ослаблению или поломке имплантата.

2. Безопасность оборудования: остатки порошка могут вызвать пожары, взрывы и проблемы с оборудованием.
1. Горючая и взрывоопасная металлическая пыль может стать причиной взрыва.
При 3D-печати металлом используются такие взрывоопасные порошки, как титан, алюминий, магний и другие. Чем меньше частицы (обычно 15–100 микрон), тем больше вероятность их взрыва. Например, нижний предел взрываемости алюминиевого порошка в воздухе составляет всего 40 г/м³. Если остаточный порошок скапливается внутри оборудования и вступает в контакт со статическим электричеством, искрами или горячими поверхностями, это может вызвать взрывы пыли, которые повредят оборудование или даже причинят вред людям.

2. Проблемы с лазерной системой и движущимися частями.
Остатки порошка могут покрыть линзу, сканирующую лазер, или заблокировать сопло, подающее порошок, что может ослабить энергию лазера или остановить подачу порошка. Кроме того, попадание порошка в движущиеся элементы, такие как рельсы печатной платформы и вращающиеся валы, может ускорить износ, что может привести к заклиниванию оборудования или снижению его точности. Из-за остатков порошка у одной компании произошло множество отказов лазеров, а стоимость обслуживания достигала 30% от первоначальной стоимости оборудования.

3. Не сработала система защиты инертным газом.
3D-печать металлом должна происходить в среде аргона или азота, чтобы предотвратить окисление; тем не менее, остатки порошка могут засорить трубопровод циркуляции газа, снизить скорость потока защитного газа и повысить локальную концентрацию кислорода выше допустимого уровня. Это не только ухудшает качество печатных материалов, но и может привести к самовозгоранию металлического порошка.

3. Характеристики продукта: остатки порошка ослабляют основные функциональные показатели.
1. Пониженные механические характеристики.
Остатки порошка могут изменить плотность напечатанных объектов, создавая области, где нарастает напряжение. Например, при печати конструкций из-высокопрочной стали остатки порошка могут снизить предел текучести на 15–20 %. Этого недостаточно для аэрокосмической отрасли, где очень строгие стандарты качества материалов.

2. Неспособность хорошо переносить жару.
Остатки порошка могут засорить микроканалы или ребра рассеивания тепла в электронных устройствах или деталях двигателя, от которых необходимо быстро избавиться от тепла. Это может значительно снизить эффективность теплопроводности. Исследование показало, что на каждый 1% увеличения содержания остатков порошка эффективность рассеивания тепла может снизиться на 5–8%.

3. Нарушение способности герметизировать и противостоять коррозии.
Остатки порошка могут повредить плотность поверхности деталей в химическом оборудовании или морской технике и облегчить проникновение коррозийных материалов. Например, если на деталях из нержавеющей стали есть остатки порошка, содержащие хлориды, это может вызвать точечную коррозию или коррозионное растрескивание под напряжением.

4. Здоровье работников: длительное-воздействие металлической пыли представляет собой долгосрочный-риск.
1. Поражение легких
Если частицы металлического порошка имеют размер менее 10 микрон, они могут проникнуть глубоко в легкие и оседать в альвеолах, что может вызвать пневмокониоз, бронхит или фиброз легких. Например, длительное вдыхание порошка титанового сплава может вызвать отложение титана в легких, что проявляется кашлем и одышкой.

2. Раздражение кожи и глаз.
При попадании остатков порошка на грязную рабочую одежду или поверхности оборудования они могут вызвать механическое раздражение или химические ожоги кожи работников. Кроме того, попадание порошка в глаза может повредить роговицу или вызвать конъюнктивит.

3. Шанс отравиться тяжелыми металлами.
Некоторые металлические порошки, такие как кобальт и никель, опасны для живых существ, и длительное нахождение рядом с ними может вызвать повреждение головного мозга, почечную недостаточность или рак. Ионы кобальта в порошке сплава на основе кобальта- могут абсорбироваться через кожу или дыхательные пути, что приводит к «болезни твердых сплавов».

5. Решение: систематический подход к улучшению: от оптимизации дизайна до поиска новых способов выполнения задач.
1. Этап проектирования: использование идеи «очищаемости».
Вы можете снизить риск образования остатков порошка, улучшив геометрическую структуру деталей (например, добавив выпускные отверстия и минимизировав мертвые углы) или применив оптимизацию топологии. Например, аэрокосмические предприятия сократили содержание остатков порошка с 8% до менее 1% за счет изменения угла выхода охлаждающего канала.

2. Процесс печати: сбор инертной пыли и ее фильтрация в несколько этапов.
Чтобы снизить риск самовозгорания, используйте промышленные пылесосы с системами влажной предварительной-сепарации, которые впитывают пыль в инертные жидкости. В то же время используется модульная много-конструкция пылеудаления, такая как постоянная система фильтра PPS, чтобы продлить срок службы фильтрующего элемента и улучшить фильтрацию.

3. После обработки: автоматическая порошковая очистка и отчет об обнаружении.
Используйте автоматизированные технологии, такие как двунаправленное воздействие инертного газа и очистку ультразвуковой вибрацией, а также компьютерную томографию или обнаружение рентгеновских лучей, чтобы создать замкнутую-систему для «обратной связи по обнаружению порошковой очистки». Например, медицинская компания использовала систему обратной связи для обнаружения КТ, чтобы поддерживать остаточную долю порошка имплантата ниже 0,1%.

4. Правила безопасности: укрепить защиту и управление в чрезвычайных ситуациях.
Операторы должны носить маски N95 или выше, лазерные-стойкие очки и огнестойкую-одежду. Они также должны регулярно проходить обучение по технике безопасности. На рабочем месте должны быть металлические огнетушители класса D, взрывозащищенные пылесосы и сигнализаторы утечки газа. Также необходимо подготовиться к действиям в случае пожара или взрыва.