Влияет ли термообработка на точность размеров при 3D-печати металлом?

Почему термообработка приводит к изменению размеров металлических деталей, напечатанных на 3D-принтере

Основной движущей силой является снятие остаточного напряжения, возникающего во время быстрого плавления и затвердевания в процессе SLM. Поскольку во время нагрева напряжения ослабевают, детали могут деформироваться, сжиматься или скручиваться.

Дополнительные факторы включают в себя:

Тепловое расширение и сжатие во время циклов нагрева/охлаждения.

Фазовые превращения, вызывающие объемные изменения (например, в титановых сплавах).

Влияние опорной конструкции - опоры могут сдерживать искажения в одних областях и допускать их в других.

Спинная клетка Ti-6Al-4V, подвергнутая снятию напряжения при температуре 800 градусов, испытала коробление на 0,15–0,25 мм по всей длине 80 мм. Этого было достаточно, чтобы вывести критические сопрягаемые поверхности за пределы допуска.

Металлическая 3D-печатьИзменение размеров во время термообработки является прямым результатом уникальной термической истории аддитивного производства.

Каких изменений измерений следует ожидать на самом деле?

Типичные диапазоны искажений для стандартного снятия напряжений составляют линейное изменение 0,1–0,5%, хотя оно значительно зависит от геометрии и процесса. Сложная геометрия, тонкие стены и длинные выступы усиливают искажения. HIP имеет тенденцию вызывать более равномерные (но иногда и более крупные) изменения под действием давления, в то время как простое снятие напряжения вызывает более локализованную деформацию.

Таблица данных: Типичные диапазоны изменения размеров

Последующая обработка допусков на размеры SLM- требует предварительного планирования.

Материал-по-размерному поведению материала при термообработке

Ti-6Al-4V: Высокая чувствительность из-за /-фазового превращения около 882 градусов (бета-трансус). Искажение является обычным явлением, если его тщательно не контролировать.

Нержавеющая сталь 316L: более стабильна, но требует исключения диапазона сенсибилизации (450–850 градусов).

Сплавы CoCr: объем изменяется из-за выделения карбидов.

Inconel 718: Хорошая стабильность размеров, но требует фиксации во время старения.

AlSi10Mg: очень-склонен к искажениям; ограничивается более низкими температурами.

17-4PH: Предсказуемое сокращение во время старения.

Таблица данных:-Особое поведение материала

Роль проектирования деталей в контроле изменения размеров

Умный дизайн значительно снижает риск:

Поддерживайте одинаковую толщину стенок.

Используйте симметрию и сбалансированное распределение массы.

Оптимизируйте опорные структуры, чтобы ограничить критические области.

Расположите детали на рабочей пластине так, чтобы свести к минимуму выступающие искажения.

Добавьте обрабатываемый припуск для элементов с жесткими-допусками.

Таблица данных: Особенности конструкции и риск искажения

Проектирование 3D-печати металла для термообработки (DfAM) имеет важное значение.

Крепление и средства управления процессом, которые минимизируют искажения

Нестандартные приспособления ограничивают движение, не создавая новых напряжений.

Контролируемые темпы изменения скорости и медленное охлаждение имеют решающее значение.

Вакуум или атмосфера инертного газа уменьшают проблемы, связанные с окислением-.

ГИП часто приводит к большей изотропной усадке по сравнению со свободным-отжигом.

Производитель, обрабатывающий кронштейны из аэрокосмического сплава Inconel 718, во время старения использовал специальные графитовые крепления, что уменьшило разброс размеров с ±0,3 мм до ±0,08 мм на элементах диаметром 150 мм.

Прогнозирование изменения размеров

Моделирование искажений на основе FEA-полезно, но требует проверки на реальных данных AM. Эмпирическая пред-компенсация (масштабирование или предварительное-искажение STL) и первая-проверка изделия являются стандартными. Ведущие поставщики ведут базы данных- и обработки- конкретных материалов.

Обработка после-термической-обработки

Механическая обработка после термообработки является наиболее надежным способом достижения жестких допусков. Оставьте припуск 0,2–1,0 мм в зависимости от особенности и материала. Обычно используются чистовая обработка с ЧПУ, электроэрозионная обработка и шлифование.

Таблица данных: Рекомендуемый припуск на обработку

Проверка размеров после термообработки

Используйте КИМ для определения критических размеров, 3D-сканирование для картирования полных отклонений и сосредоточьтесь на таких функциях GD&T, как плоскостность, параллельность и истинное положение, на которые больше всего влияют искажения. Создайте базу данных для повторяющихся деталей.

Часто задаваемые вопросы

Дает ли термообработка усадку металлическим деталям, напечатанным на 3D-принтере?

Это может вызвать усадку, расширение или коробление в зависимости от сплава, процесса и геометрии. Чаще всего небольшая усадка или локальное искажение.

Каких изменений размеров следует ожидать после снятия напряжений SLM Ti-6Al-4V?

Обычно линейная 0,1–0,4%, на более крупных деталях коробление до 0,2–0,5 мм. Точные значения зависят от геометрии и параметров.

Можно ли обрабатывать металлические 3D-печатные детали после термообработки?

Да, - это стандартная практика достижения окончательных жестких допусков.

Как лучше всего контролировать деформацию при термообработке деталей SLM?

Сочетайте хороший DfAM (однородные сечения, опоры), правильное крепление, контролируемую скорость изменения скорости и запас после-обработки.

Вызывает ли HIP большее изменение размеров, чем отжиг для снятия напряжений?

ГИП часто вызывает более равномерную усадку из-за давления, но может быть более предсказуемой, чем коробление при свободном отжиге.

Как проверить точность размеров после термообработки металлической 3D-печатной детали?

Используйте КИМ, 3D-сканирование и сравнивайте результаты измерений до- и после-лечения с помощью надлежащего GD&T.