Какие факторы будут определять решение для пост-обработки 3D-печати металлом?

1. Свойства материала: основные ограничения для пост-обработки.
Состав, микроструктура и теплофизические свойства металлических материалов для 3D-печати напрямую определяют техническую траекторию и параметры процесса пост-обработки.
Свойства состава материала и фазовые переходы
переменные металлы имеют очень разные температуры фазового перехода, коэффициенты теплового расширения и чувствительность к окислению. Например, титановый сплав (Ti6Al4V) имеет тенденцию вступать в реакцию с кислородом, образуя хрупкий оксидный слой при температуре выше 600 градусов, поэтому термообработку необходимо проводить в вакууме или среде инертного газа. Жаропрочные-сплавы на основе никеля (например, Inconel 718) содержат много легирующих элементов и требуют ступенчатого контроля выделения фазы посредством обработки раствором (изоляция 980–1020 градусов в течение 1 часа) и обработки старением (изоляция 720 градусов в течение 8 часов), чтобы найти баланс между прочностью и ударной вязкостью.
Плотность и свойства порошка
На первоначальную плотность печатных изделий влияет размер частиц, их сыпучесть и чистота порошка. Например, детали из алюминиевого сплава, напечатанные сферическим порошком с размером частиц 15–45 мкм, могут иметь начальную пористость от 3% до 5%. Чтобы сделать их плотнее 99,9%, их необходимо подвергнуть горячему изостатическому прессованию (ГИП) при 1200 градусах и давлении 100 МПа. Детали, напечатанные наноразмерным порошком, возможно, придется отжигать только для того, чтобы избавиться от внутреннего напряжения, поскольку они спекаются очень быстро.
Управление, которое не одинаково во всех направлениях
Способ, которым металлическая 3D-печать накладывает слои друг на друга, придает ему анизотропные механические свойства. Например, предел прочности нержавеющей стали 316L на 10–15 % ниже в направлении печати (ось Z-), чем в вертикальном направлении (ось XY). Термическая обработка, такая как выдержка при температуре 750 градусов в течение 2 часов, а затем закалка водой, может помочь зернам рекристаллизовать, снизить анизотропию до 5% и сделать детали конструкции однородными.
2. Часть функциональных требований: пост-обработка с учетом цели.
План пост-обработки должен быть сосредоточен на том, как фрагменты будут использоваться в конечном итоге, и на основе этого улучшать показатели производительности.
Улучшение механических характеристик
Необходимость высокой прочности: диск турбины аэрокосмического двигателя должен выдерживать экстремальные температуры до 1000 градусов и нагрузки до 1000 МПа. Прочность на растяжение должна быть увеличена до уровня более 1200 МПа с помощью метода композита HIP+термообработка (после 1220 градусов/150 МПа HIP, 1080 градусов старения твердого раствора +720 градусов).
Высокие стандарты прочности. Ортопедические имплантаты, включая протезы тазобедренного сустава, должны быть прочными и устойчивыми к износу. Отжиг (выдержка при 700 градусах в течение 4 часов, а затем медленное охлаждение) может повысить степень удлинения с 15% до 25% и снизить риск хрупкого разрушения.
Повышенная устойчивость к коррозии
Детали из нержавеющей стали 316L, используемые в морской технике, должны быть устойчивы к коррозии в солевом тумане в течение длительного времени. Время стойкости к солевому туману можно увеличить с 240 часов до 2000 часов, используя как электрохимическую полировку (удаляющую поверхностный оксидный слой), так и анодирование (образующее оксидное покрытие толщиной 10 мкм). Это соответствует требованиям стандарта ISO 9227.
Улучшение качества поверхности
В секторе бытовой электроники действуют строгие правила относительно того, как должны выглядеть детали. Чтобы сделать поверхность менее шероховатой, их необходимо полировать в несколько приемов (грубое шлифование → тонкое шлифование → зеркальная полировка) до Ra0,2 мкм или ниже. Одновременно применяется пескоструйная обработка (частицы глиноземного песка размером 200 меш) для создания однородного матового покрытия, соответствующего стандартам дизайна.
3. Ограничения производственного процесса: предел того, что можно сделать после обработки
Характеристики процесса печати и возможности оборудования сразу ограничивают возможности технологий пост-обработки.
Контроль остаточного напряжения
Технология лазерной плавки порошкового слоя (LPBF) оставляет после себя остаточные напряжения, которые могут достигать 70% предела текучести материала, поскольку он очень быстро охлаждается. Отжиг для снятия напряжений (изоляция при температуре 500–600 градусов в течение 2 часов) необходимо проводить сразу после печати. В противном случае детали могут деформироваться или треснуть при резке или механической обработке. Технология электронно-лучевой плавки (EBM) имеет меньше остаточных напряжений, поскольку перед плавлением подложка нагревается до температуры более 600 градусов. Это упрощает процесс пост-обработки.
Удаление опорной конструкции
При проектировании опор для сложных конструктивных деталей, таких как камеры сгорания в авиационных двигателях, необходимо найти компромисс между стабильностью во время печати и простотой использования после печати. Использование водо-растворимых вспомогательных материалов облегчит их удаление. С другой стороны, металлические опоры необходимо обрабатывать проволокой (с точностью ± 0,05 мм) или химическим травлением (для микроструктур), чтобы избежать повреждения поверхности, вызванного механической резкой.
Гарантия точности размеров
Толщина печатного слоя (обычно 20–100 мкм) и метод сканирования (например, сканирование в виде шахматной доски) влияют на точность деталей. Для деталей, для которых требуется допуск ± 0,02 мм на сопрягаемой поверхности, после термообработки необходима пятиосная механическая обработка (например, фрезерование и шлифование). Тем не менее, простые конструкционные детали могут получить точность поверхности Ra3,2 мкм с помощью пескоструйной обработки и шлифования.
4. Баланс затрат-выгод: экономические факторы, о которых следует подумать после обработки
Решение для пост-обработки должно найти наилучший баланс между снижением затрат и повышением производительности.
Оптимизация удельных затрат
При изготовлении большого количества медицинских имплантатов обработка HIP может продлить их срок службы, но стоимость единицы увеличивается на 30–50%. Изменяя настройки печати (например, повышая плотность мощности лазера) для снижения начальной пористости, потребности в обработке HIP можно сократить вдвое, что позволяет сэкономить много денег.
Возврат инвестиций в оборудование
Аэрокосмическим предприятиям приходится тратить миллионы долларов на оборудование HIP для обработки деталей из жаропрочных сплавов. Чтобы избежать простаивания основных средств, они могут работать с опытными поставщиками услуг пост-обработки и взимать плату за штуку (стоимость обработки за штуку) 500–2000.
Повышение эффективности цикла
Изготовление пресс-форм для автомобилей по технологии «печать+отжиг+точная механическая обработка» занимает от 7 до 10 дней. Но за счет оптимизации процедуры термообработки (например, быстрого поднятия температуры до 750 градусов и выдерживания ее в течение часа) цикл можно сократить до 5 дней, что ускорит доставку.