האם הקשיות של תבניות מתכת להדפסה תלת-ממדית יכולה לעמוד בדרישות לייצור חוזק גבוה-?

1. בחירת החומר הנכון: תומך תחתון עשוי אבקת מתכת בעלת קשיחות גבוהה
החומר עצמו קובע עד כמה תבניות הדפסת תלת מימד מתכתיות קשות. פלדת כלי עבודה, נירוסטה, סגסוגות קשות וסגסוגות מיוחדות הם החומרים הנפוצים ביותר עבור תבניות הדפסה תלת מימדית כרגע. יש להם טווח קשיות של HRC 20 עד 70, מה שאומר שניתן להשתמש בהם במגוון מצבים.
פלדת כלי עבודה, כמו H13 ו-A2, היא בעלת קשיות של HRC 40-60 לאחר טיפול בחום. הוא חזק ועמיד בפני שחיקה, מה שהופך אותו טוב למצבי-לחץ גבוהים כמו תבניות יציקה-ותבניות פרזול חמות. לדוגמה, חברה המייצרת חלקי רכב משתמשת בתבניות פלדה H13 מודפסות בתלת מימד שהן HRC 52 קשות לאחר טיפול בחום. תבניות אלו פועלות בדיוק כמו תבניות פרזול מסורתיות ומחזיקות מעמד פי שלושה יותר.
לפלדת אל חלד 316L יש קשיות של כ-HRC 20-30, אך על ידי התאמת הגדרות ההדפסה ועיבוד שלאחר-, ניתן להעלות את הקשיות שלה למעל HRC 40 ועדיין עמיד מאוד בפני קורוזיה. זה עושה את זה טוב עבור אזורים שבהם היגיינה חשובה מאוד, כמו אריזות מזון ומכשור רפואי.
סגסוגת קשיחה: WC Co (קובלט טונגסטן קרביד) הוא חומר אופייני למצבי בלאי קיצוניים כמו ניקוב קוביות וציור קוביות. יש לו קשיות של עד HRC 55–70 והוא עמיד ביותר מפי 10 לבלאי- מפלדת כלי עבודה. חברה מסוימת שמייצרת חלקים חשמליים משתמשת בתבניות סגסוגת חזקות-תלת-ממדיות כדי להכפיל את תדירות הניקוב, מפי 500,000 לפי 2 מיליון.
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% ב-650 מעלות), וזו הסיבה שהם משמשים הרבה בתבניות לדסקיות טורבינות של מנועי תעופה.
2. אופטימיזציה של תהליכים: שליטה מדויקת מ"הדפסה" ל"צורה"
קשיות המתכת לא רק החומר אלא גם הניהול המדויק של פרמטרי התהליך חשובים להדפסת תלת מימד. לדוגמה, טכנולוגיית המסת לייזר סלקטיבית (SLM) מגבירה את הקשיות על ידי אופטימיזציה של הפרמטרים החשובים הבאים:
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%), וכאשר הוא גבוה, הוא עלול להיסדק. מחקר מדגים שכאשר מדפיסים פלדת אל חלד 316L בהספק לייזר של 150W ומהירות סריקה של 800 מ"מ/שנייה, הנקבוביות נשארת מתחת ל-0.3% והקשיות מגיעה ל-HRC 38, שזה כמעט זהה לזו של פרזול.
חוזק מליטה בין-שכבתית: ניתן ליצור קשר מתכותי חזק בין שכבות על-ידי שינוי הליכי הסריקה (סריקת לוח שחמט וסריקת איים) ועובי השכבה (20-50 מיקרומטר). לדוגמה, עסק תעופה מסוים מדפיס תבניות להבי טורבינה Ti6Al4V בעובי שכבה של 30 מיקרומטר וחוזק מליטה בין-שכבתי של 450MPa, שהוא חזק ב-20% משיטות קודמות.
Setting the cooling rate: Rapid cooling (>10 ^ 4 מעלות /שניות) יכול ליצור מבנה עדין-גרגר (כמו מרטנזיט) שהופך את החומר להרבה יותר קשה. באמצעות טכנולוגיית L-PBF, צוות אוניברסיטת העיר הונג קונג הדפיס סגסוגת Al Mg Mn Sc Zr. הם השתמשו במנגנון חיזוק הננו התאומים כדי להעלות את חוזק התפוקה ל-656MPa תוך שמירה על המשיכות ב-12%.
3. טכנולוגיית עיבוד שלאחר-: השלב האחרון בשיפור הקשיות
הדפסת תלת מימד היא לא הסוף; טכנולוגיית עיבוד שלאחר-היא החלק החשוב ביותר בהפיכת התבניות לקשות יותר.
טיפול בחום: שינוי מבנה הסריג על ידי חישול, כיבוי או יישון. לדוגמה, לאחר היישון ב-480 מעלות, הקשיות של תבנית פלדה 18Ni300 מרטנזיטית מודפסת מודפסת מ-HRC 38 ל-HRC 52. זה נפטר משאריות מתח והפחית את הסיכוי להתנפץ.
כדי להפוך את פני השטח לקשה יותר, אתה יכול להשתמש ב-shot penning, nitriding, או חיפוי לייזר. יצרן תבניות יציקה- מסויים השתמש בהצללה להדפסת תלת-ממד של תבניות פלדה H13. זה הפך את המשטח לקשה יותר (מ-HRC 50 עד HRC 58) והפך אותם לעמידים ב-40% בפני שחיקה.
כבישה איזוסטטית חמה (HIP): שימוש בלחץ גבוה (100-200 MPa) ובטמפרטורה גבוהה (900-1200 מעלות) כדי להיפטר מנקבוביות פנימיות ולהשיג את צפיפות החומר קרוב ל-100%. תבנית ה-Inconel 718 שטופלה ב-HIP קשה ב-30% ומחזיקה מעמד פי חמישה יותר מהתבנית שלא טופלה.
4. שימוש בתעשייה: בדיקה מהמעבדה ועד לקו הייצור
יתרון הקשיות של תבניות מתכת להדפסה תלת מימדית אושר במספר תחומים:
GE Aviation משתמשת בתבניות חרירי דלק של Inconel 718 מודפסות בתלת-ממד- עם קשיות של HRC 45. תבניות אלו קלות ב-15% מיציקות סטנדרטיות ויכולות להתמודד עם טמפרטורות ולחצים גבוהים.
ייצור מכוניות: קבוצת BMW מייצרת בלוקים למנועי סגסוגת אלומיניום באמצעות תבניות פלדה וכלי הדפסה תלת מימדיים. קשיות התבנית היא HRC 50, והיא מחזיקה מעמד יותר מ-100,000 פעמים, מה שמוריד את העלות של כל חלק ב-40%.
ג'ונסון אנד ג'ונסון משתמשת בתבניות שתלים אורטופדיות מודפסות-תלת-ממדיות של קובלט כרום סגסוגת אורטופדיות שהן HRC 60 קשיחות ו-Ra<0.2 μ m rough on the surface. These moulds meet both biocompatibility and wear resistance standards.