آیا تفاوت قابل توجهی در دقت چاپ سه بعدی در بین مواد مختلف فلزی وجود دارد؟

1. خواص مواد: مشخصات فیزیکی و شیمیایی که بر امکان دقت تأثیر می گذارد
دقت چاپ سه بعدی با مواد فلزی بیشتر به دلیل تأثیر متقابل بین رفتار ترمودینامیکی مواد در طول فرآیند ذوب و انجماد و مدیریت فرآیند است. تغییرات در خواص چهار ماده رایج زیر مستقیماً بر میزان دقت چاپ آنها تأثیر می گذارد:
آلیاژ تیتانیوم (مانند TC4/Ti-6Al-4V)
آلیاژهای تیتانیوم قوی، سبک و مقاوم در برابر زنگ زدگی هستند، اما فقط به دو دلیل اصلی می توان آنها را با دقت چاپ کرد:
نرخ انقباض حرارتی بالا: TC4 دارای ضریب انبساط خطی 8.6 × 10-6/ درجه است، به این معنی که به راحتی می تواند باعث ایجاد تنش پسماند در هنگام سرد شدن سریع شود، که می تواند باعث تاب برداشتن و تغییر شکل قطعات شود. به عنوان مثال، اگر بعد از چاپ قالب برای تیغه موتور هواپیما از پرس ایزواستاتیک داغ (HIP) استفاده نکنید، ابعاد آن می تواند تا 0.3 ± میلی متر کاهش یابد. پس از پردازش HIP، ابعاد می تواند به اندازه ± 0.05 میلی متر کاهش یابد.
سرعت جذب لیزر پایین: آلیاژ تیتانیوم ممکن است تا 60 درصد نور لیزر را منعکس کند، بنابراین برای ذوب شدن یکنواخت به چگالی انرژی بالایی (معمولاً بیش از 100 وات بر میلی‌متر مربع) نیاز دارد. با این حال، انرژی بیش از حد ممکن است پاشیده شدن سطح را ایجاد کند و زبری سطح را تغییر دهد. با تغییر تکنیک اسکن (مانند اسکن شطرنجی) می‌توانید زبری سطح را از Ra25 میکرومتر به Ra10 میکرومتر کاهش دهید.
فولاد ضد زنگ 316L یک نمونه است.
فولاد ضد زنگ دارای یک پنجره فرآیند بزرگ است و به ترک های حرارتی حساسیت چندانی ندارد، که باعث می شود برای چاپ بهتر باشد:
حوضچه مذاب عریض پایدار: 316 لیتر در 1375 درجه ذوب می شود و یک حوضچه مذاب ثابت ممکن است با توان لیزر 50 تا 200 وات و دقت ابعادی 0.05 ± میلی متر ساخته شود. شرکتی که دستگاه‌های پزشکی تولید می‌کند از فناوری SLM برای چاپ صفحات استخوانی با تحمل دهانه 0.02 میلی‌متر استفاده می‌کند که شرایط لازم برای کنار هم قرار دادن ایمپلنت‌های ارتوپدی را برآورده می‌کند.
یکنواختی در سازمان: طبیعت آستنیتی 316L باعث می شود که احتمال جدا شدن آن در طول فرآیند چاپ کمتر شود. هنگام استفاده با محلول جامد (عایق در 1050 درجه به مدت 1 ساعت و خاموش کردن آب)، خطاهای پیوند بین لایه ای را می توان برطرف کرد که عمر خستگی را 30٪ افزایش می دهد.
آلیاژ آلومینیوم، مانند AlSi10Mg
بزرگترین مشکل چاپ آلیاژ آلومینیوم این است که رسانایی حرارتی بالایی دارد و در هنگام داغ شدن مستعد ترک خوردن است.
ترک‌ها زمانی ایجاد می‌شوند که چیزی به سرعت سرد شود: AlSi10Mg دارای رسانایی حرارتی 150W/(m · K) است، و حوضچه مذاب می‌تواند با سرعت 106 درجه بر ثانیه خنک شود، که باعث می‌شود شکستگی‌های داغ در مرزهای دانه‌ها ایجاد شوند. افزودن عنصر Sc 0.5 درصد می تواند اندازه دانه را کوچکتر از 1 میکرومتر کند که نرخ ترک را از 15 درصد به 0.5 درصد کاهش می دهد.
اثر لایه اکسید سطح: سطح آلومینیوم احتمالاً یک فیلم اکسید ضخیم (Al2O3) ایجاد می کند که باعث می شود پودر به خوبی جریان نداشته باشد و به این معنی است که چاپ باید با محافظ گاز بی اثر خلاء انجام شود. پس از بهبود سیستم گردش گاز، زبری سطح یک بسته باتری خودرو انرژی جدید از Ra50 میکرومتر به Ra15 میکرومتر رسید.
آلیاژهای مبتنی بر نیکل-در دمای بالا-، مانند Inconel 718
چالش آلیاژهای{0}در دمای بالا، کنترل ریزساختار در دماهای بسیار بالا است:
تمایل به رشد کریستال ستونی: در طول چاپ، Inconel 718 تمایل به تولید کریستال های ستونی دارد که در جهت ساخت توسعه می یابند. این ماده را ناهمسانگرد می کند. تغییر سرعت اسکن (600-1000 میلی متر بر ثانیه) و ضخامت لایه (30-50 میکرومتر) ممکن است اندازه دانه را از 500 میکرومتر به 100 میکرومتر برساند که باعث می شود استحکام کششی تا 15٪ افزایش یابد.
حساسیت به ریزترک‌ها: فاز (Ni∝ (Al, Ti)) احتمالاً در هنگام سرد شدن سریع رسوبات ناهمواری ایجاد می‌کند که می‌تواند باعث ایجاد ریزترک‌ها شود. بیش از 90 درصد ریزترک ها ممکن است با استفاده از عملیات حرارتی درجه بندی شده (عایق 720 درجه به مدت 8 ساعت و به دنبال آن خنک کننده هوا و عایق 620 درجه به مدت 8 ساعت) از بین بروند.
2. سازگاری فرآیند: انتخاب مسیر برای اجرای دقیق
دقت پرینت سه بعدی فلزی هم به مواد و هم به میزان مطابقت نوع فرآیند بستگی دارد. چهار فرآیند رایج زیر دارای سطوح دقت کاملاً متفاوتی هستند:
مزیت دقت ذوب انتخابی لیزر (SLM): قطر لکه لیزر SLM می تواند به کوچکی 50 میکرومتر، ضخامت لایه بین 20 تا 60 میکرومتر، دقت ابعادی می تواند تا 0.05 ± میلی متر باشد و زبری سطح Ra می تواند تا 10 میکرومتر باشد. یک شرکت هوانوردی از SLM برای چاپ پره های توربین استفاده کرد و اطمینان حاصل کرد که تحمل پروفیل تیغه در ± 0.03 میلی متر است، که این همان چیزی است که موتورهای هوانوردی به آن نیاز دارند تا بتوانند در کنار هم قرار گیرند.
محدودیت مواد: برای اینکه موادی با بازتاب بالا (مانند مس) جذب بیشتری کنند، باید از لیزر سبز (532 نانومتر) یا لیزر آبی (450 نانومتر) استفاده کنید. با این حال، هزینه تجهیزات بین 30 تا 50 درصد افزایش می یابد.
ویژگی‌های دقت ذوب پرتو الکترونی (EBM): EBM در خلاء با چگالی انرژی زیادی در پرتو الکترونی (تا 10 4 وات بر میلی‌متر مربع) کار می‌کند، که آن را برای چاپ مواد با نقطه ذوب بالا، از جمله آلیاژهای تیتانیوم، خوب می‌کند. یک تولید کننده خاص ایمپلنت ارتوپدی از EBM برای چاپ کاپ های مفصل ران استفاده کرد. زبری سطح Ra کمتر یا برابر با 8 میکرومتر بود، هیچ لایه اکسیدی وجود نداشت و فنجان‌ها نسبت به آنهایی که با روش‌های سنتی ساخته شده بودند سازگارتر بودند.
کنترل تنش حرارتی: EBM می تواند قطعات را تا 700 درجه سانتیگراد گرم کند که می تواند تنش پسماند و تاب برداشتن را تا 80 درصد کاهش دهد.
رسوب انرژی مستقیم (DED) دارای قطر نازل 0.8 تا 2 میلی متر، ضخامت لایه 0.5 تا 2 میلی متر، دقت ابعادی ± 0.5 میلی متر و زبری سطح Ra20 تا 100 میکرومتر است. یک شرکت موتور هوانوردی خاص از DED برای تعمیر دیسک توربین استفاده کرد. لایه تعمیر و زیرلایه با استحکام متالورژیکی 400 مگا پاسکال به هم چسبانده شده اند که نیازهای خدمات را برآورده می کند.
مزیت کارایی: DED دارای نرخ ته نشینی 200 سانتی متر در ساعت است که بیش از 10 برابر SLM است. این باعث می‌شود که آن را برای تثبیت یا پیش‌فرم‌کردن قطعات بزرگ خوب کند.
چسب اسپری (BJ)
پتانسیل برای دقت: BJ دارای دقت ابعادی ± 0.1 میلی متر و زبری سطح Ra20-60 میکرومتر است. با این حال، پس از درمان نیاز به چربی زدایی (400-600 درجه) و تف جوشی (1200-1300 درجه) دارد که باعث می شود بین 15 تا 20 درصد کوچک شود. یک شرکت خودروسازی خاص از قالب‌های چاپ‌شده BJ استفاده می‌کند و پس از اتمام آنها، اندازه آنها در 0.05 ± میلی‌متر ثابت می‌ماند، که برای تولید انبوه مورد نیاز است.
مزیت هزینه: تک تکه BJ 60 تا 70 درصد کمتر از SLM قیمت دارد، که آن را برای شرایطی که دقت متوسط ​​و مقیاس بزرگ مورد نیاز است، خوب می کند.
3. نمونه معمولی: تأیید کاربرد عملی تناقضات دقت
تیغه های آلیاژ تیتانیوم برای موتورهای هواپیما چاپ با استفاده از SLM
یک شرکت هواپیمایی از فناوری SLM برای ساخت تیغه های آلیاژ تیتانیوم TC4 استفاده کرد. با بهبود تکنیک‌های اسکن (مانند اسکن مارپیچی) و ساختارهای پشتیبانی (مانند پشتیبانی شبکه)، تحمل پروفیل تیغه از 0.1 ± میلی‌متر به 0.03 ± میلی‌متر رسید و زبری سطح از Ra25 میکرومتر به Ra8 میکرومتر رسید. این باعث شد موتور 2 درصد کارآمدتر شود.
فولاد ضد زنگ 316L برای کاشت تجهیزات پزشکی استفاده می شود. چاپ SLM
یک شرکت ارتوپدی از SLM برای چاپ صفحات استخوانی فولاد ضد زنگ 316L استفاده کرد. تحمل دیافراگم 0.02 ± میلی‌متر تنظیم شد و پس از پرداخت الکترولیتی، زبری سطح Ra < 0.8 میکرومتر مطابق با استاندارد پزشکی ISO 13485 بود و زمان ادغام استخوان را 30 درصد کاهش داد.
بسته باتری برای وسیله نقلیه جدید انرژی: AlSi10Mg چاپ شده با SLM
یک شرکت خودروهای انرژی جدید از براکت های بسته باتری چاپ شده SLM برای تغییر اندازه دانه با افزودن 0.5% عنصر Sc استفاده می کند که نرخ شکستگی داغ را از 15% به 0.5% کاهش می دهد. استحکام براکت تا 25 درصد افزایش می‌یابد و وزن آن 30 درصد کاهش می‌یابد که با حرارت- با T6 (محلول جامد 530 درجه + 170 درجه پیری) تیمار شود.