Почему пост-обработка определяет окончательное качество металлических 3D-печатных деталей?

1. Устранение металлургических дефектов: от «рыхлых и пористых» до «плотных и безупречных»
3D-печать металлом имеет свои недостатки на мельчайшем уровне, поскольку он быстро плавится и затвердевает.

Проблема пористости. В процессе SLM (селективного лазерного плавления) внутри детали могут образовываться микропоры, если порошок не полностью плавится или задерживается газ. Это может произойти, когда пористость составляет от 0,5% до 1%. Эти поры станут первым местом, где возникают усталостные трещины, что значительно упростит разрушение деталей. Например, средний срок службы лопаток турбины конкретного авиационного двигателя при разрушении составляет всего 13 часов при температуре 650 градусов и давлении 690 МПа, если они не прошли последующую-обработку. Однако после обработки горячим изостатическим прессованием (ГИП) долговечность разрушения увеличилась до 131 часа, что соответствует проектным требованиям.
Контроль остаточного напряжения. Неравномерное охлаждение материала во время печати может привести к накоплению остаточного напряжения внутри детали, что может привести к ее изгибу, поломке или несостыковке. Например, остаточное напряжение в титановом сплаве Ti6Al4V может быть выше, чем предел текучести в углах. Если не отжигать, во время последующей обработки может возникнуть явление «взрыва кромки»; отжиг при температуре 800-900 градусов значительно повышает стабильность обработки.
Важные этапы пост-обработки:

Горячее изостатическое прессование (HIP): когда материалы нагреваются до очень высоких температур (обычно от 900 до 1200 градусов) и очень высокого давления (100 и 200 МПа), их внутренние отверстия закрываются, что делает их почти в два раза плотнее.
Отжиг для снятия напряжений: остаточные напряжения снимаются, чтобы сделать размеры более стабильными, путем медленного нагрева и охлаждения в циклах выдержки. Например, после нагрева до 300 градусов остаточное напряжение в деталях из алюминиевого сплава AlSi10Mg снижается на 80%, а деформация сохраняется с точностью до 0,1 мм.
2. Улучшение производительности: от «анизотропии» к «всенаправленному балансу»
Качество промежуточного наложения слоев 3D-печати металлом приводит к тому, что его механические свойства различаются в разных направлениях (анизотропия). Пост-обработка может сбалансировать производительность, контролируя ткань:

Измельчение зерна: гибкость и прочность материала могут снизиться из-за крупных столбчатых кристаллов, которые образуются, когда вещество быстро охлаждается после печати. Измельчение зерна и выделение упрочняющих фаз можно ускорить с помощью обработки на раствор (например, обработка на раствор при 1080 градусах высокотемпературного сплава Inconel 718) и старения (старение при 550 градусах в течение 8 часов). Это может повысить прочность на разрыв до более чем 1300 МПа.
Повышение твердости: процесс закалки быстро охлаждает материал, создавая мартенситную структуру, которая делает поверхность намного тверже. После закалки при температуре 1050 градусов твердость деталей из нержавеющей стали 316L повышается с 180HV до 350HV, а детали становятся в три раза более устойчивыми к износу.
Важные этапы пост-обработки:

Пакет термообработки: специальный метод «отжиг+раствор+старение» для каждого материала, например «отжиг 800 градусов+550 степень старения» для Ti6Al4V, который может одновременно улучшить как прочность, так и ударную вязкость.
Путем химического нагрева поверхности детали, например азотирования и цементации, образуется твердое покрытие, которое делает ее более устойчивой к износу. После азотирования твердость поверхности деталей зубчатых колес может превышать 600HV, а срок службы деталей увеличивается в пять раз.
3. Контроль точности размеров: от «обширного формования» до «точной сборки».
Большинство металлических 3D-печатных изделий поначалу имеют размерную точность ± 0,1 мм, что затрудняет удовлетворение требований точной сборки. Однако механическая обработка может обеспечить точность пост-обработки с точностью до микрометра.

Исправление критических размеров: обработка с ЧПУ должна использоваться для управления допусками в позициях, которые включают уплотнительные, соединительные и движущиеся пары. Например, сопрягаемую поверхность детали корпуса гидравлического клапана необходимо обрабатывать по пяти осям, чтобы повысить точность размеров с ± 0,05 мм до ± 0,01 мм.
Снятие опорной конструкции: опорная конструкция, добавленная во время печати, оставит после себя определенные следы, которые необходимо тщательно стереть с помощью электролитической обработки или лазерной резки, чтобы не повредить основную конструкцию.
Важные способы обработки после:

Прецизионная обработка: использование сверхточного-шлифования, электроэрозионной обработки (EDM) и других методов для достижения уровня точности от IT5 до IT7.
Поиск и устранение неполадок в режиме онлайн. Координатно-измерительная машина (КИМ) предоставляет в реальном-времени данные о несоответствиях размеров, что позволяет изменять параметры обработки и обеспечивать единообразие серийного производства.
4. Лучшее качество поверхности: от "грубого слоя" до "зеркальной-гладкости"
Шероховатость поверхности (Ra) при 3D-печати металлом обычно составляет от 8 до 12 мкм, что значительно выше, чем от 0,8 до 3,2 мкм при традиционной механической обработке. Посто-обработка позволяет сделать поверхность гладкой как физическими, так и химическими методами:

В соответствии с функциональными требованиями: в секторе медицинского оборудования шероховатость поверхности должна быть ниже Ra.<0.8 μ m to keep germs from sticking; in the field of optics, surface roughness must be below Ra<0.1 μ m to meet the need for transmittance.
Защита от коррозии: шероховатые поверхности могут привести к более быстрому проникновению коррозийных веществ, поэтому их необходимо полировать или гальванизировать, чтобы образовать толстое защитное покрытие. Например, после электролитической полировки детали морской техники теперь могут противостоять коррозии солевого тумана в течение 500 часов вместо 24 часов.
Важные методы обработки-сообщений:

Механическая полировка: значение Ra снижается до менее 0,4 мкм за счет применения таких методов, как шлифование песчаной лентой и магнитореологическая полировка.
Химическое или гальванопокрытие добавляет на поверхность предметов металлические слои, такие как никель и хром, чтобы улучшить их внешний вид и защитить от ржавчины. Например, после химического никелирования блеск определенного автомобильного украшения составляет более 90%.