Kan hårdheten hos 3D-utskriftsformar av metall uppfylla kraven för hög-hållfast produktion?

1. Att välja rätt material: Bottenstöd av metallpulver med hög seghet
Materialet i sig avgör hur hårda metall 3D-utskriftsformar är. Verktygsstål, rostfritt stål, hårda legeringar och speciallegeringar är de vanligaste materialen för 3D-utskriftsformar just nu. De har ett hårdhetsområde på HRC 20 till 70, vilket innebär att de kan användas i en mängd olika situationer.
Verktygsstål, liksom H13 och A2, har en hårdhet på HRC 40–60 efter värmebehandling. Den är robust och motståndskraftig mot slitage, vilket gör den bra för hög-stresssituationer som gjutformar-och heta smidesformar. Till exempel använder ett företag som tillverkar bildelar 3D-tryckta H13 stålformar som är HRC 52 hårda efter värmebehandling. Dessa formar fungerar lika bra som traditionella smidesformar och håller tre gånger längre.
316L rostfritt stål har en hårdhet på cirka HRC 20–30, men genom att justera utskriftsinställningarna och efter-bearbetning kan dess hårdhet höjas till över HRC 40 samtidigt som den är mycket motståndskraftig mot korrosion. Detta gör det bra för områden där hygien är mycket viktigt, som livsmedelsförpackningar och medicintekniska produkter.
Hård legering: WC Co (volframkarbidkobolt) är ett typiskt material för extrema slitagesituationer som stansformar och dragformar. Den har en hårdhet på upp till HRC 55–70 och är mer än 10 gånger mer slitstark- än verktygsstål. Ett visst företag som tillverkar elektriska delar använder 3D-tryckta starka legeringsformar för att fördubbla stansfrekvensen, från 500 000 gånger till 2 miljoner gånger.
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% vid 650 grader), vilket är anledningen till att de används mycket i formar för flygmotorsturbinskivor.
2. Processoptimering: exakt kontroll från "utskrift" till "formning"
Metallens hårdhet Inte bara materialet utan också den exakta hanteringen av processparametrar är viktiga för 3D-utskrift. Till exempel ökar selektiv lasersmältningsteknik (SLM) hårdheten genom att optimera följande viktiga parametrar:
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%), och när den är hög kan den spricka. En studie visar att vid utskrift av 316L rostfritt stål med en lasereffekt på 150W och en skanningshastighet på 800mm/s, håller sig porositeten under 0,3 % och hårdheten når HRC 38, vilket är nästan samma som för smide.
Mellanskiktsbindningsstyrka: En stark metallurgisk bindning mellan skikten kan skapas genom att ändra skanningsprocedurerna (såsom schackbrädeskanning och ö-skanning) och skikttjockleken (20–50 μm). Till exempel trycker ett visst flygföretag Ti6Al4V turbinbladsformar med en skikttjocklek på 30 μm och en bindningsstyrka mellan skikten på 450 MPa, vilket är 20 % starkare än tidigare metoder.
Setting the cooling rate: Rapid cooling (>10 ^ 4 grader /s) kan skapa en fin-struktur (som martensit) som gör materialet mycket hårdare. Med hjälp av L-PBF-teknik tryckte teamet från City University of Hong Kong en Al Mg Mn Sc Zr-legering. De använde nano-tvillingförstärkningsmekanismen för att höja sträckgränsen till 656 MPa samtidigt som duktiliteten hölls på 12 %.
3. Efter-behandlingsteknik: det sista steget för att göra hårdheten bättre
3D-utskrift är inte slutet; efter-bearbetningsteknik är den viktigaste delen av att göra formar hårdare.
Värmebehandling: förändring av gallerstrukturen genom glödgning, härdning eller åldring. Till exempel, efter att ha åldrats vid 480 grader, gick hårdheten hos en 3D-tryckt 18Ni300 martensitisk åldrande stålform från HRC 38 till HRC 52. Detta gjorde sig av med kvarvarande spänningar och gjorde det mindre benäget att splittras.
För att göra ytan hårdare kan du använda kulblästring, nitrering eller laserbeklädnad. En viss gjutformstillverkare använde kulblandning till 3D-utskrift av H13 stålformar. Detta gjorde ytan hårdare (från HRC 50 till HRC 58) och gjorde dem 40 % mer motståndskraftiga mot slitage.
Varmisostatisk pressning (HIP): Använd högtryck (100–200 MPa) och hög temperatur (900–1200 grader) för att bli av med inre porer och få materialdensiteten nära 100 %. Inconel 718-formen som behandlades med HIP är 30 % hårdare och håller fem gånger längre än formen som inte behandlades.
4. Branschanvändning: testning från labbet till tillverkningslinjen
Hårdhetsfördelen med 3D-utskriftsformar av metall har bekräftats inom flera områden:
GE Aviation använder 3D-tryckta Inconel 718 bränslemunstycksformar med en hårdhet på HRC 45. Dessa formar är 15 % lättare än standardgjutgods och kan hantera höga temperaturer och tryck.
Tillverkar bilar: BMW Group tillverkar motorcylinderblock av aluminiumlegering med hjälp av stålformar och 3D-utskriftsverktyg. Formens hårdhet är HRC 50, och den varar mer än 100 000 gånger, vilket sänker kostnaden för varje del med 40%.
Johnson & Johnson använder 3D-tryckta ortopediska implantatformar av koboltkromlegering som är HRC 60 hårda och Ra<0.2 μ m rough on the surface. These moulds meet both biocompatibility and wear resistance standards.