האם יש הבדל משמעותי בדיוק בהדפסת תלת מימד בין חומרי מתכת שונים?

1. תכונות החומר: המאפיינים הפיזיקליים והכימיים המשפיעים על אפשרות הדיוק
הדיוק של הדפסת תלת מימד עם חומרי מתכת נובע בעיקר מהאינטראקציה בין ההתנהגות התרמודינמית של החומר במהלך תהליך ההיתוך וההתמצקות לבין ניהול התהליך. השינויים במאפיינים של ארבעת החומרים הנפוצים הבאים משפיעים ישירות על מידת הדיוק של ההדפסים שלהם:
סגסוגת של טיטניום (כמו TC4/Ti-6Al-4V)
סגסוגות טיטניום הן חזקות, קלות ועמידות בפני חלודה, אולם ניתן להדפיס אותן במדויק רק בגלל שתי סיבות עיקריות:
קצב התכווצות תרמי גבוה: ל-TC4 יש מקדם התפשטות ליניארי של 8.6 × 10 ⁻⁶/מעלה, מה שאומר שהוא יכול בקלות לגרום ללחץ שיורי כאשר הוא מתקרר במהירות, מה שעלול לגרום לחלקים להתעוות ולשנות צורה. לדוגמה, אם אינך משתמש בלחיצה איזוסטטית חמה (HIP) לאחר הדפסת תבנית עבור להב מנוע מטוס, הממדים יכולים להיות מופחתים בשיעור של עד ± 0.3 מ"מ. לאחר עיבוד HIP, הממדים יכולים להיות מופחתים ב-±0.05 מ"מ.
קצב ספיגת לייזר נמוך: סגסוגת טיטניום עשויה לשקף עד 60% מאור הלייזר, ולכן היא זקוקה לצפיפות אנרגיה גבוהה (בדרך כלל > 100W/mm²) כדי להמיס באופן שווה. עם זאת, יותר מדי אנרגיה עלולה ליצור התזות ולשנות את החספוס של פני השטח. ניתן להוריד את חספוס פני השטח מ-Ra25 מיקרומטר ל-Ra10 מיקרומטר על ידי שינוי טכניקת הסריקה (כגון באמצעות סריקת לוח דמקה).
פלדת אל חלד 316L היא דוגמה אחת.
לנירוסטה יש חלון תהליך גדול ואינה רגישה מאוד לסדקים בחום, מה שהופך אותה לטובה יותר להדפסה:
בריכת התכה רחבה יציבה: 316L נמס ב-1375 מעלות, ובריכת התכה יציבה עשויה להתבצע עם הספק לייזר של 50 עד 200W ודיוק ממדי של ±0.05 מ"מ. חברה המייצרת מכשור רפואי השתמשה בטכנולוגיית SLM להדפסת לוחות עצם עם סבילת צמצם של ± 0.02 מ"מ, שעמדו בדרישות להרכיב שתלים אורטופדיים.
אחידות בארגון: האופי האוסטני של 316L מפחית את הסיכוי שהוא ייפרד במהלך תהליך ההדפסה. בשימוש עם טיפול בתמיסה מוצקה (בידוד ב-1050 מעלות למשך שעה וריבוי מים), ניתן לתקן תקלות בהדבקה בין-שכבתית, מה שמגדיל את חיי העייפות ב-30%.
סגסוגת אלומיניום, כגון AlSi10Mg
הבעיה הגדולה ביותר עם הדפסת סגסוגת אלומיניום היא שיש לה מוליכות תרמית גבוהה ונוטה להיסדק כשהיא מתחממת.
נוצרים סדקים כאשר משהו מתקרר במהירות: ל-AlSi10Mg מוליכות תרמית של 150W/(m · K), ובריכת ההיתוך יכולה להתקרר בקצב של 10⁶ מעלות/שניה, מה שמקל על היווצרות שברים חמים בגבולות התבואה. הוספת אלמנט Sc של 0.5% יכולה להפוך את גודל הגרגרים לקטן מ-1 מיקרומטר, מה שמוריד את שיעור הסדקים מ-15% ל-0.5%.
השפעת סרט תחמוצת פני השטח: משטח האלומיניום עשוי ליצור סרט תחמוצת עבה (Al ₂ O3), מה שגורם לאבקה לא לזרום היטב ומשמעות הדבר היא שיש לבצע את ההדפסה עם הגנה מפני גז אינרטי בוואקום. לאחר שיפור מערכת זרימת הגז, חספוס פני השטח של תושבת חבילת סוללות חדשה לרכב אנרגיה עבר מ-Ra50 מיקרומטר ל-Ra15 מיקרומטר.
סגסוגות-בטמפרטורה גבוהה-על בסיס ניקל, כגון Inconel 718
האתגר של סגסוגות-בטמפרטורה גבוהה הוא לשלוט במבנה המיקרו בטמפרטורות גבוהות מאוד:
נטייה לצמיחת גבישים עמודים: במהלך ההדפסה, Inconel 718 נוטה ליצור גבישים עמודים המתפתחים בכיוון הבנייה. זה הופך את החומר לאנזיטרופי. שינוי מהירות הסריקה (600-1000 מ"מ/שניה) ועובי השכבה (30-50 מיקרומטר) עשוי לגרום לגודל הגרגיר לעבור מ-500 מיקרומטר ל-100 מיקרומטר, מה שגורם לחוזק המתיחה לעלות ב-15%.
רגישות למיקרו-סדקים: השלב (Ni ∝ (Al, Ti)) צפוי ליצור משקעים לא אחידים כאשר הוא מתקרר במהירות, מה שעלול לגרום למיקרו-סדקים. ניתן להסיר יותר מ-90% מהסדקים המיקרוניים באמצעות טיפול בחום מדורג (בידוד של 720 מעלות למשך 8 שעות, ולאחר מכן קירור אוויר ובידוד של 620 מעלות למשך 8 שעות).
2. התאמה של התהליך: בחירת נתיב ליישום מדויק
הדיוק של הדפסת תלת מימד מתכת תלוי הן בחומר והן במידת התאמת סוג התהליך. לארבעת התהליכים הנפוצים הבאים יש רמות דיוק שונות למדי:
יתרון דיוק של התכה סלקטיבית בלייזר (SLM): קוטר נקודת הלייזר של SLM יכול להיות זעיר כמו 50 מיקרומטר, עובי השכבה יכול להיות בין 20 ל-60 מיקרומטר, דיוק הממדים יכול להיות גבוה עד ± 0.05 מ"מ, וחספוס פני השטח Ra יכול להיות נמוך עד 10 מיקרומטר. חברת תעופה השתמשה ב-SLM כדי להדפיס להבי טורבינה, תוך הקפדה על סבילות פרופיל הלהבים בטווח של ± 0.03 מ"מ, וזה מה שמנועי תעופה צריכים להיות מסוגלים להרכיב.
הגבלות חומר: כדי לגרום לחומרים בעלי רפלקטיביות גבוהה (כמו נחושת) לספוג יותר, עליך להשתמש בלייזר ירוק (532 ננומטר) או בלייזר כחול (450 ננומטר). עם זאת, עלות הציוד עולה ב-30% עד 50%.
התכת קרן אלקטרונים (EBM) תכונות דיוק: EBM פועלת בוואקום עם צפיפות אנרגיה רבה בקרן האלקטרונים (עד 10 ⁴ W/mm ²), מה שהופך אותו טוב להדפסת חומרים בעלי נקודות התכה גבוהות, כולל סגסוגות טיטניום. יצרן שתלים אורטופדיים מסוים השתמש ב-EBM כדי להדפיס כוסות מפרקי הירך. חספוס פני השטח היה Ra פחות או שווה ל-8 מיקרומטר, לא הייתה שכבת תחמוצת, והכוסות היו תואמות יותר ביולוגית מאלה שנעשו בשיטות מסורתיות.
בקרת מתח תרמי: EBM יכולה לחמם חלקים ל-700 מעלות צלזיוס, מה שיכול להפחית את הלחץ והעיוות השיורי ב-80%.
יש קוטר זרבובית של 0.8 עד 2 מ"מ, עובי שכבה של 0.5 עד 2 מ"מ, דיוק ממדי של ± 0.5 מ"מ וחספוס פני השטח של Ra20 עד 100 מיקרומטר. חברת מנועי תעופה מסוימת השתמשה ב-DED כדי לתקן דיסק טורבינה. שכבת התיקון והמצע מחוברים יחד בחוזק מתכתי של 400MPa, העומד בדרישות השירות.
יתרון היעילות: ל-DED יש קצב שקיעה של 200 סמ³/שעה, שהוא יותר מפי 10 מזה של SLM. זה עושה את זה טוב עבור תיקון או preforming חתיכות ענק.
ספריי דבק (BJ)
פוטנציאל לדיוק: ל-BJ יש דיוק ממדי של ±0.1 מ"מ וחספוס פני השטח של Ra20-60 מיקרומטר. עם זאת, יש צורך להסיר שומנים (400-600 מעלות) ולחטא אותו (1200-1300 מעלות) לאחר הטיפול, מה שגורם לו להתכווץ ב-15% עד 20%. חברת רכב מסויימת משתמשת בתוספות תבניות מודפסות BJ, ולאחר סיומן, הגודל נשאר יציב בתוך ± 0.05 מ"מ, וזה מה שדרוש לייצור המוני.
יתרון עלות: החלק הבודד של BJ עולה 60% עד 70% פחות מ-SLM, מה שהופך אותו טוב למצבים שבהם יש צורך בדיוק בינוני ובקנה מידה גדול.
3. דוגמה טיפוסית: אימות יישום מעשי של פערי דיוק
להבי סגסוגת טיטניום למנועי מטוסים הדפסה באמצעות SLM
חברת תעופה אחת השתמשה בטכנולוגיית SLM לייצור להבי סגסוגת טיטניום TC4. על ידי שיפור טכניקות סריקה (כמו סריקה ספירלית) ומבני תמיכה (כמו תמיכת סריג), סובלנות פרופיל הלהב עברה מ-±0.1 מ"מ ל-±0.03 מ"מ, וחספוס פני השטח עבר מ-Ra25 מיקרומטר ל-Ra8 מיקרומטר. זה הפך את המנוע ליעיל יותר ב-2%.
פלדת אל חלד 316L משמשת להשתלת מכשור רפואי. הדפסת SLM
חברת אורטופדיה השתמשה ב-SLM להדפסת לוחות עצם מנירוסטה 316L. סובלנות הצמצם נקבעה ל-± 0.02 מ"מ, ולאחר ליטוש אלקטרוליטי, חספוס פני השטח Ra < 0.8 מיקרומטר עמד בתקן הרפואי ISO 13485, וקיצץ את הזמן שלקח לעצם להשתלב ב-30%.
חבילת סוללות לרכב אנרגיה חדש: AlSi10Mg מודפס עם SLM
חברת רכבי אנרגיה חדשה משתמשת בסוגריים מודפסים של ערכת סוללות SLM כדי לשנות את גודל הגרגיר על ידי הוספת 0.5% אלמנט Sc, מה שמוריד את שיעור השברים החמים מ-15% ל-0.5%. חוזק התושבת עולה ב-25% ומשקלו יורד ב-30% כאשר הוא מטופל בחום- ב-T6 (תמיסה מוצקה של 530 מעלות + 170 מעלות יישון).