מהם היתרונות של עיבוד HIP בעיבוד שלאחר-של הדפסת תלת-ממד מתכת?

1. היפטרות מפגמים פנימיים: מעבר מ"נקבוביות" ל"אפס פגמים"
התמצקות ללא-שיווי משקל המופקת על ידי קירור מהיר עלולה ליצור חורים זעירים במהלך הדפסת תלת מימד מתכתית. מצד שני, פירוק מבני תמיכה או אבקה לא נמסה לחלוטין עלול לגרום להתכווצות מקרוסקופית. פגמים אלו עלולים לגרום להתחלת סדקים, מה שמקצר מאוד את חיי העייפות של החלקים. טכנולוגיית HIP מתקנת פגמים באמצעות השיטות הבאות:
סגירת נקבוביות ושילוב מתכות
כאשר חומרי מתכת מחוממים לטמפרטורה גבוהה (בדרך כלל פי 0.5 עד 0.8 מנקודת ההיתוך של החומר) ומופעלים בלחץ רב (100 עד 200 MPa), הם הופכים לגמישים מאוד. לחץ הגז גורם למתכת שמסביב לנקבוביות לשנות צורה, ליצור מגע זה עם זה וליצור קשרים מתכתיים. זה גורם לנפח הנקבוביות להצטמצם עד שהוא נעלם. לדוגמה, לאחר טיפול HIP, הנקבוביות של סגסוגת IN718 בטמפרטורה גבוהה- המיוצרת בטכניקת SLM ירדה מ-0.8% ל-0.02%, מה שהפך אותה לדחוסה של 99.99%, וזה מה שתעשיית התעופה והחלל צריכה כדי לוודא שהחומרים אמינים.
ריפוי של מיקרו-סדקים
מתח תרמי בהדפסת תלת-ממד מתכת עלול לגרום להתרחשות מיקרו-סדקים. פעולת החישול בטמפרטורה-הגבוהה של טיפול HIP נפטרת ממתח שיורי, וסביבת הלחץ הגבוהה- גורמת לקצה השבר להתכופף פלסטית, מה שסוגר את הסדק ויוצר מבנה גבול יציב של התבואה. נתונים ניסויים מצביעים על כך שטיפול HIP יכול להפחית את צפיפות הסדקים של פלדת אל חלד 316L ב-90% ולשפר את קשיחות השבר ב-30%.
זיקוק הגרגירים והפיכת המיקרומבנה לאחיד יותר
תהליך הטמפרטורה-הגבוהה של HIP זהה לטיפול חישול, שיכול להיפטר מהמבנה המקורר או השלב המט-יציב שנוצר כאשר SLM מתקרר במהירות. לאחר טיפול ב-HIP, למשל, הגבישים העמודים הגסים של סגסוגת Ti6Al4V משתנים לגבישים עדינים שווה-צירים, וגודל הגרגירים עובר מ-50 מיקרומטר ל-10 מיקרומטר. זה הופך את החומר להרבה יותר גמיש ועמיד בפני עייפות.
2. הפיכת הביצועים המכניים לטובים יותר: מציאת האיזון הנכון בין חוזק וקשיחות
לעיבוד HIP יש שתי השפעות על המאפיינים המכניים של חלקי מתכת מודפסים בתלת מימד:
חוזק וגמישות הולכים טוב יותר ביחד.
חוזק החומר עשוי לרדת מעט (בדרך כלל ב-5% עד 15%) לאחר טיפול HIP, אך מדדי הפלסטיות שלו, כמו התארכות, עולים מאוד. לדוגמה, בעקבות טיפול HIP, חוזק המתיחה של סגסוגת האלומיניום AlSi10Mg המיוצרת בטכניקת SLM ירד מ-420MPa ל-380MPa, אך ההתארכות עלתה מ-8% ל-15%, וזה טוב עבור חלקי מבנה קלים במכוניות.
שיפור משמעותי בביצועי ההתנגדות לעייפות
הסיבה העיקרית לצמיחת סדק עייפות היא פגמים פנימיים. על ידי היפטרות מנקבוביות ומיקרו-סדקים, טיפול HIP מגדיל מאוד את חיי העייפות של חלקים. לדוגמה, חיי העייפות-הגבוהים של סגסוגת IN718 שטופלה ב-HIP ב-650 מעלות ו-690MPa עברו מ-50 שעות ללא טיפול ל-173 שעות. זה עונה על דרישות החיים של מנועי מטוסי GE עבור חלקים חיוניים.
הסרה אניזוטרופית
איכויות החיבור בין השכבות של הדפסת תלת מימד מתכת עשויות לגרום למאפיינים המכניים להיות שונים בכיוונים שונים. החומר פועל באותה צורה בכל הכיוונים כאשר הוא מטופל ב-HIP, המשתמש ב-360 מעלות של לחץ אחיד. לדוגמה, ההבדל במקדמי החיכוך הרדיאלי והצירי בין כדורי סיליקון ניטריד קרמיים שטופלו ב-HIP הוא פחות מ-5%, וזה הרבה יותר טוב משיטות סינטר סטנדרטיות.
3. הרחבת היקף היישומים: מעבר מ"זמין" ל"אמין"
עיבוד HIP מסייע בצד הטכני של שימוש בטכנולוגיית הדפסת תלת מימד מתכת בקנה מידה רחב בתחומים בהם היא מבוקשת מאוד.
תחום התעופה והחלל
להבי טורבינה, תאי בעירה וחלקים אחרים של מנוע מטוס חייבים להיות מסוגלים לעבוד במצבים עם טמפרטורות גבוהות, לחצים גבוהים ומתח גבוה. טיפול HIP יכול להיפטר מסדקי מתח תרמיים שקורים כאשר תהליך ה-SLM מתקרר מהר מדי, והוא יכול גם להפוך חומרים טובים יותר בזחילת-טמפרטורות גבוהות. רולס רויס, למשל, משתמשת ב-HIP-מטופלת בניקל-על בסיס-גבוהה-דסקיות טורבינות סגסוגת גבוהות, שמעלות את טמפרטורת הפעולה מ-1200 ל-1400 מעלות צלזיוס ואת יחס הדחף-ל-ב-20%.
תחום השתלים הרפואיים
שתלים אורטופדיים צריכים להיות חזקים ובטוחים לגוף. טיפול HIP יכול להיפטר מהפרדת פאזות אלפא בסגסוגת Ti6Al4V, להוריד את הסיכוי לדליפת יוני מתכת החוצה ולגרום לחומר להחזיק מעמד זמן רב יותר תחת לחץ. עדויות קליניות מצביעות על כך ששיעור הכישלון של שתלי ירך הנתונים ל-HIP ירד מ-3% ל-0.5% לאחר עשור.
תעשיות האנרגיה והספנות
חלקים כמו מיכלי לחץ בכור גרעיני ומתחמי חיישני ים עמוקים- צריכים להיות מסוגלים להתמודד עם תנאים קשים מאוד. קרמיקת הזירקוניה המטופלת ב-HIP יכולה להתמודד עם לחץ גבוה של 110MPa בים העמוק, ואלמנט הדלק המצופה סיליקון קרביד- יכול להישאר יציב בטמפרטורות גבוהות של 1200 מעלות. חומרים אלה חשובים מאוד עבור הדור הרביעי של טכנולוגיית כוח גרעיני.