Вы готовите легкий компонент воздухозаборника или тонкостенный-корпус двигателя, отправляете его на 3D-печать металлом, а деталь возвращается с критической стенкой, деформированной на 0,2–0,3 мм. Он больше не сидит ровно и не совмещается с сопрягаемыми деталями. Это регулярно случается с тонкостенными деталями из аддитивного металла, особенно когда остаточное напряжение не контролируется с самого начала.
Искажение не является загадочным. Это происходит из-за предсказуемого теплового поведения, и элементы управления также предсказуемы. Ниже приводится практический взгляд на то, почему это происходит и что на самом деле помогает поддерживать тонкостенные детали двигателя в допустимых пределах.
Почему тонкие-металлические детали стенок деформируются
В методах DMLS или SLM лазер плавит небольшой объем порошка при высокой температуре, затем материал очень быстро охлаждается. Окружающий порошок и затвердевший металл остаются намного холоднее. Такая резкая разница температур создает остаточное напряжение.
Больше всего страдают тонкие стены, поскольку они имеют низкую жесткость и ограниченные пути отвода тепла. Три проблемы возникают постоянно:
Остаточное напряжение, возникающее в результате повторяющихся циклов плавления-охлаждения
Слишком слабые или неудачно расположенные опоры, из-за которых деталь может потерять форму при охлаждении.
Нагрев накапливается в тонких секциях, которые не могут отводить тепловую энергию достаточно быстро.
Когда эти факторы объединяются, стена, которая выглядела идеально в модели CAD, может легко сдвинуться настолько, что монтажные поверхности или уплотнительные поверхности выходят за пределы допуска.
Практические способы держать искажения под контролем
Сначала определитесь с дизайном стены
Равномерная толщина ведет себя лучше, чем резкие скачки от толстой к тонкой. Добавление легких ребер или скруглений в не-критических областях часто повышает жесткость во время сборки, не нарушая при этом целевой вес. Большие плоские неподдерживаемые пролеты являются частыми проблемными зонами,-разрушают их или поддерживают должным образом. Это основные рекомендации по проектированию 3D-печати из тонкостенного металла.
Ориентируйте деталь с учетом напряжения
Вертикальная или угловая ориентация критически тонких стенок обычно уменьшает площадь плавления в любой момент и меняет места концентрации остаточных напряжений. Ориентация также определяет, какие поверхности будут иметь знаки поддержки, поэтому функциональные лица требуют раннего внимания.
Используйте опоры как якоря и пути нагрева.
Опоры нужны не только для того, чтобы предотвратить падение детали. В зонах повышенного-напряжения им необходимо достаточное поперечное-сечение, чтобы противостоять силам тяги и проводить тепло. Равномерно тонкие опоры часто выходят из строя именно в наиболее важных местах.
Контролируйте параметры и используйте предварительный нагрев, если он доступен.
Стабильные, проверенные наборы параметров для конкретного сплава и станка имеют большее значение, чем постоянные доработки. Предварительный нагрев подложки уменьшает температурный зазор между ванной расплава и остальной частью детали, что непосредственно снижает остаточное напряжение.
Стресс-снимается, пока деталь все еще находится на пластине
Этот единственный шаг предотвращает большую часть искажений на позднем-этапе. Термическая обработка снимает напряжение, в то время как рабочая пластина сохраняет геометрию. Сначала вырезание детали, а затем термообработка- является распространенной причиной появления деформации после того, как деталь выглядит на станке нормально.
Титановые сплавы сопряжены с дополнительными проблемами-и полезными уроками
Титановые сплавы, такие как Ti-6Al-4V, плохо проводят тепло по сравнению со многими сталями или алюминиевыми сплавами. Тепло дольше остается локализованным, поэтому остаточное напряжение может увеличиться. Те же методы управления:-продуманный дизайн, ориентация, прочные опоры, дисциплина параметров и снятие напряжений с закреплением пластины-применимы непосредственно к медицинским имплантатам из титановых сплавов, напечатанным на 3D-принтере. Эти части также имеют тонкие стенки, сложные решетки и отсутствие пространства для смещения размеров. Опыт, полученный при работе с тонкостенными компонентами двигателей, хорошо применим в работе с медицинскими имплантатами, и наоборот.
Почему обработка с ЧПУ по-прежнему важна
3D-печать металлом дает вам почти-чистую форму. Обычно он не обеспечивает окончательных допусков на уплотняющих поверхностях, опорных поверхностях или точных точках крепления. Эти функции почти всегда требуют обработки на станке с ЧПУ. Тот же гибридный подход является стандартным для прецизионных медицинских изделий, изготовленных на станках с ЧПУ: аддитивное производство создает сложную геометрию, а ЧПУ вводит критические поверхности в спецификацию. Проектирование печатной заготовки с использованием соответствующего обрабатывающего материала на ключевых поверхностях делает комбинацию эффективной.
Пример случая: возвращение в допуск искривленному тонкому-стенному компоненту
На одном из тонкостенных компонентов двигателя из -двигателя из титанового сплава- в ранних версиях после снятия опоры наблюдалась деформация примерно 0,25 мм на монтажной поверхности. Толщина стенки в пораженной области составляла менее 1,5 мм, а исходная ориентация оставляла большой горизонтальный промежуток.
Пересмотренный подход включал более равномерные переходы стенок, добавление локальной жесткости, лучшую ориентацию конструкции, более сильные опоры в зоне высоких-напряжений, снятие напряжений, пока они еще прикреплены к рабочей пластине, и продуманную обработку припуска на критической грани. После обработки на станке с ЧПУ монтажная поверхность достигла требуемого допуска, и деталь была собрана без проблем. Улучшение произошло благодаря тому, что проектирование, процесс, термообработка и механическая обработка рассматривались как одна система, а не как отдельные этапы.
На что следует обратить внимание при выборе партнера по 3D-печати металлом
Не каждый производитель 3D-печати металлом или фабрика 3D-печати металлом одинаково хорошо справляется с работой с тонкими-стенами. Полезные сигналы включают в себя:
Подтвержденный опыт работы с тонкостенными-геометриями и сплавами, которые вы фактически используете.
Собственные-собственные или тесно связанные с ним средства-снятия стресса, возможности HIP при необходимости и чистовая обработка с ЧПУ
Надлежащие инструменты проверки и привычка проверять наличие остаточных-эффектов стресса.
Документированный контроль процесса, а не выбор-одного параметра
Возможность перехода от прототипа к мелким-серийным или оптовым заказам металлических 3D-печатных деталей без снижения качества-
Магазин, который заранее обсуждает риск искажения и корректировки конструкции, обычно более надежен, чем тот, который просто называет цену за деталь.
Часто задаваемые вопросы
Вопрос. Почему тонкие-металлические детали деформируются во время 3D-печати?
Ответ: Быстрый локальный нагрев и охлаждение создают остаточное напряжение. Тонким секциям не хватает жесткости и тепловой массы, чтобы противостоять этому напряжению, поэтому они движутся.
Вопрос: Какова реальная минимальная толщина стены?
Ответ: Это зависит от сплава, ориентации и стратегии поддержки. Многие системы могут создавать стенки толщиной 0,5–1,0 мм, но функциональным деталям часто требуется большая толщина или дополнительная жесткость, чтобы оставаться стабильными.
Вопрос: Может ли 3D-печать металлом заменить станки с ЧПУ для компонентов двигателя?
Ответ: Он отличается сложной внутренней геометрией и снижением веса. Окончательные допуски и критические поверхности по-прежнему обычно требуют ЧПУ. Большинство производственных решений являются гибридными.
Вопрос: Полезны ли те же методы для титановых медицинских имплантатов?
А: Да. Медицинские имплантаты из титановых сплавов, напечатанные на 3D-принтере, сталкиваются с аналогичными проблемами тонких-стенок и остаточных-напряжений. Применяются те же дисциплины проектирования и процессов.
Вопрос: Как мне оценить фабрику по 3D-печати металлом для такого рода работ?
Ответ: Спросите об опыте работы с тонкими-стенками, методах-снятия стресса, возможностях ЧПУ, методах проверки и о том, как они обрабатывают отзывы о проекте перед первой сборкой.