آیا سختی قالب‌های پرینت سه بعدی فلزی می‌تواند الزامات تولید با استحکام بالا را برآورده کند؟

1. انتخاب مواد مناسب: ساپورت پایینی ساخته شده از پودر فلز با چقرمگی بالا
خود این ماده تعیین می کند که قالب های پرینت سه بعدی فلزی چقدر سخت هستند. فولاد ابزار، فولاد ضد زنگ، آلیاژهای سخت و آلیاژهای خاص رایج ترین مواد برای قالب های چاپ سه بعدی در حال حاضر هستند. محدوده سختی آن ها بین 20 تا 70 HRC است که به این معنی است که می توان از آنها در موقعیت های مختلف استفاده کرد.
فولاد ابزار، مانند H13 و A2، پس از عملیات حرارتی دارای سختی HRC 40-60 است. مقاوم و مقاوم در برابر سایش است و برای موقعیت‌های{5}}استرس بالا مانند قالب‌های قالب‌گیری-و قالب‌های آهنگری داغ مناسب است. به عنوان مثال، یک شرکت سازنده قطعات خودرو از قالب های فولادی H13 پرینت سه بعدی استفاده می کند که پس از عملیات حرارتی HRC 52 سخت می شوند. این قالب ها به خوبی قالب های آهنگری سنتی کار می کنند و سه برابر بیشتر عمر می کنند.
فولاد ضد زنگ 316L دارای سختی حدود HRC 20-30 است، اما با تنظیم تنظیمات چاپ و پردازش پس از{3}، سختی آن را می توان به بیش از HRC 40 افزایش داد در حالی که همچنان در برابر خوردگی بسیار مقاوم است. این امر آن را برای مناطقی که بهداشت بسیار مهم است، مانند بسته بندی مواد غذایی و تجهیزات پزشکی، خوب می کند.
آلیاژ سخت: WC Co (کبالت کاربید تنگستن) یک ماده معمولی برای موقعیت‌های سایش شدید مانند قالب‌های پانچ و قالب‌کشی است. سختی آن تا 55-70 HRC است و بیش از 10 برابر بیشتر از فولاد ابزار در برابر سایش مقاوم است. یک شرکت خاص که قطعات الکتریکی را تولید می‌کند، از قالب‌های آلیاژی قوی چاپ شده سه بعدی استفاده می‌کند تا فرکانس پانچ را دو برابر کند، از 500000 بار به 2 میلیون بار.
3D printing can make fine-grained structures in special alloys like Inconel 718 nickel-based alloy. These structures are 20% harder than those made by traditional casting. They also stay strong at high temperatures (strength retention rate>90٪ در 650 درجه)، به همین دلیل است که آنها در قالب های دیسک های توربین موتورهای هوانوردی بسیار استفاده می شوند.
2. بهینه سازی فرآیند: کنترل دقیق از "چاپ" تا "شکل گیری"
سختی فلز نه تنها مواد، بلکه مدیریت دقیق پارامترهای فرآیند برای چاپ سه بعدی مهم هستند. به عنوان مثال، فناوری ذوب لیزری انتخابی (SLM) سختی را با بهینه سازی پارامترهای مهم زیر افزایش می دهد:
Control of energy density: The quality of the molten pool is directly affected by the strength of the laser, the speed of the scan, and the size of the spot. When the energy density is low, the material may become more porous (15% less hard when>1٪، و زمانی که بالا باشد، ممکن است ترک بخورد. یک مطالعه نشان می‌دهد که هنگام چاپ فولاد ضد زنگ 316L با توان لیزر 150 وات و سرعت اسکن 800 میلی‌متر بر ثانیه، تخلخل زیر 0.3 درصد باقی می‌ماند و سختی به HRC 38 می‌رسد، که تقریباً مشابه فورجینگ‌ها است.
استحکام پیوند بین لایه ها: با تغییر روش های اسکن (مانند اسکن شطرنجی و اسکن جزیره) و ضخامت لایه (20 تا 50 میکرومتر) می توان یک پیوند متالورژیکی قوی بین لایه ها ایجاد کرد. به عنوان مثال، یک تجارت هوایی خاص، قالب‌های تیغه توربین Ti6Al4V را با ضخامت لایه 30 میکرومتر و استحکام پیوند بین لایه‌ای 450 مگاپاسکال چاپ می‌کند که 20 درصد قوی‌تر از روش‌های قبلی است.
Setting the cooling rate: Rapid cooling (>10 ^ 4 درجه در ثانیه) می‌تواند یک ساختار دانه‌ریز-ریز (مانند مارتنزیت) ایجاد کند که ماده را بسیار سخت‌تر می‌کند. با استفاده از فناوری L-PBF، تیم دانشگاه شهر هنگ کنگ یک آلیاژ Al Mg Mn Sc Zr چاپ کرد. آنها از مکانیزم تقویت دوقلو نانو برای افزایش استحکام تسلیم به 656 مگاپاسکال استفاده کردند و در عین حال شکل پذیری را در 12 درصد نگه داشتند.
3. فناوری پردازش پست{1}: آخرین مرحله برای بهبود سختی
پرینت سه بعدی پایان کار نیست. فناوری پردازش{1} مهمترین بخش سخت‌تر کردن قالب است.
عملیات حرارتی: تغییر ساختار شبکه با آنیل کردن، خاموش کردن یا پیری. به عنوان مثال، پس از کهنه شدن در 480 درجه، سختی یک قالب فولادی پیری مارتنزیتی 18Ni300 چاپ سه بعدی از HRC 38 به HRC 52 رسید. این کار از تنش پسماند خلاص شد و احتمال شکستن آن را کاهش داد.
برای سخت تر کردن سطح، می توانید از لایه برداری شات، نیتریدینگ یا روکش لیزری استفاده کنید. یک سازنده قالب‌های قالب‌گیری خاص از لایه‌برداری شات برای قالب‌های فولادی H13 پرینت سه‌بعدی استفاده کرد. این سطح را سخت‌تر کرد (از HRC 50 تا HRC 58) و باعث شد تا 40 درصد در برابر سایش مقاوم‌تر شوند.
پرس ایزواستاتیک داغ (HIP): با استفاده از فشار بالا (100-200 مگاپاسکال) و دمای بالا (900-1200 درجه) برای خلاص شدن از منافذ داخلی و بدست آوردن چگالی مواد نزدیک به 100٪. قالب Inconel 718 که با HIP درمان شد 30 درصد سخت تر است و پنج برابر بیشتر از قالبی که درمان نشده دوام می آورد.
4. استفاده در صنعت: آزمایش از آزمایشگاه تا خط تولید
مزیت سختی قالب های چاپ سه بعدی فلزی در چندین زمینه تایید شده است:
GE Aviation از قالب‌های نازل سوخت اینکونل 718 چاپ سه بعدی با سختی HRC 45 استفاده می‌کند. این قالب‌ها 15 درصد سبک‌تر از ریخته‌گری‌های استاندارد هستند و می‌توانند دما و فشار بالا را تحمل کنند.
ساخت خودرو: گروه BMW با استفاده از قالب های فولادی و ابزار چاپ سه بعدی، بلوک های سیلندر موتور آلیاژ آلومینیوم را می سازد. سختی قالب HRC 50 است و بیش از 100000 بار دوام می آورد که هزینه هر قطعه را 40 درصد کاهش می دهد.
جانسون و جانسون از قالب‌های ایمپلنت ارتوپدی آلیاژ کروم کبالت چاپ سه بعدی- که HRC 60 سخت و Ra هستند استفاده می‌کند.<0.2 μ m rough on the surface. These moulds meet both biocompatibility and wear resistance standards.