Vilken påverkan kommer kvarvarande stöd att ha på 3D-utskrivna metalldelar?

一, Möjlig fara för kvarvarande stöd till delarnas mekaniska egenskaper
1. Koncentration av kvarvarande spänningar och risk för sprickbildning
När metall 3D-printas kan restspänningar lätt byggas upp vid anslutningen mellan det bärande ramverket och delarna. Detta beror på att de termiska expansionskoefficienterna är olika. Om det kvarvarande stödet inte helt elimineras, kan platsen där spänningen är koncentrerad vara där sprickan börjar. Till exempel, om kvarvarande stöd inte tas bort när du skriver ut flygmotorblad, kan det orsaka stress att byggas upp vid spetsen av bladet. Detta kan leda till utmattningssprickor och begränsa delarnas livslängd vid serviceinställningar med hög-temperatur. Xi'an Jiaotong Universitys forskning visar att när titanlegeringsdelar stöds med obehandlad restspänning är deras restspänningsnivå 30 % till 50 % högre än den borde vara, vilket gör dem mycket mindre motståndskraftiga mot utmattning.
2. Oorganiserade material
Återstående stöd kan förändra hur materialet är strukturerat i komponenten. I processen med laserselektiv smältning (SLM) kan anslutningen mellan stödet och delen generera grova korn eller metastabila fasstrukturer på grund av upprepade temperaturcykler. Forskarna vid Beihang University använde elektronbackscatter-diffraktion (EBSD) för att finna att kornstorleken som stöder restytan är 2 till 3 gånger större än substratets. Detta gör materialet 15 % till 20 % mindre hårt och påverkar dess slitstyrka.
3. Avvikelse i geometrisk precision
Reststöd kan ändra storleken på själva delen. Om kvarvarande stöd genererar ett ytutsprång på 0,1 mm i medicinska precisionsimplantat som acetabular cups, kan det framkalla vävnadsirritation i kroppen efter implantation. Ett exempel från en verklig-värld från ett företag illustrerar att kvarvarande stöd gav en radiell dimensionsavvikelse på 0,08 mm i en viss modell av turbinskiva, vilket låg utanför det acceptabla intervallet och gjorde att hela maskinaggregatet misslyckades.
2, Det kvarvarande stödet har en dålig effekt på ytans kvalitet.
1. Ytans grovhet blir värre
Fräsning och polering av sandpapper är två vanliga mekaniska stöd som kan lämna repor på ytan av föremål. Exempelvis kan koboltkromlegeringsfästen ha en ytråhet Ra-värde på 3,2 μm efter att ha polerats för hand med sandpapper. Detta värde kan dock sänkas till 0,2 μm med elektrokemisk polering. En medicinteknisk verksamhet säger att ytfel som producerats av överblivet stöd har gjort det 40 % mer sannolikt att produkter kommer att behöva omarbetas och har ökat produktionskostnaderna.
2. Risk för kemisk förorening
Om du inte kontrollerar koncentrationen av lösningen korrekt under kemisk etsning för att eliminera stöd, kan du sluta med jämn korrosion eller gropfrätning. När delar av aluminiumlegering lämnas i sur etslösning för länge, kommer de att utveckla korrosionsgropar på ytan som är 0,5 till 2 mm breda. Detta gör dem mindre motståndskraftiga mot korrosion. Ett visst företag som tillverkar bildelar förlorade mer än en miljon yuan i direkta ekonomiska förluster eftersom kvarvarande stöd ledde till att många delar korroderade på ytan.
3. Problem i den värmepåverkade zonen (HAZ)
Vid laserskärning av stöd kan höga temperaturer producera lager av ytomsmältning. Efter laserskärning kan den omsmälta skikttjockleken hos Inconel 718 hög-legeringsdelar nå 50–100 μm. Detta gör delarna 10–15 % mindre hårda och påverkar deras hållfasthet vid höga temperaturer. Genom att finjustera-laserinställningarna (pulsbredd<10 μ s, peak current<5A), GE Additive has greatly enhanced the quality of the surface by controlling the thickness of the remelted layer to within 20 μ m.
3, Gränserna som kvarstående stöd sätter för effektivitet och kostnad vid bearbetning
1. Priset för efterbehandlingstiden- har gått igenom taket
Det kan ta 30 % till 50 % av hela produktionscykeln att bearbeta komplexa konstruktionsdelar utan hjälp. Till exempel har förbränningskammarskalet på en viss flygplansmotor en komplicerad inre stödstruktur som tar 120 timmar att lyfta för hand. Men när du använder lösliga stödmaterial minskar tiden det tar att lösas upp till 8 timmar per styck, och effektiviteten ökas med 15 gånger.
2. Slöseri med material och problem med återvinning
Mycket metallpulver förbrukas av den bärande strukturen. Till exempel, med SLM-teknik kan mängden stödmaterial utgöra 20 % till 30 % av den totala mängden som används. Om överblivet underlag förorenar pulvret (till exempel om titanlegeringspulver blandas i rostfritt stålstöd), kommer kostnaden för återvinning att öka med 50 % till 100 %. Leiming Laser har minskat mängden stödmaterial som används för en modell av komponenten med 40 % genom att förbättra designen på stödet. Detta sparar företaget mer än 2 miljoner yuan per år i pulverkostnader.
3. Kostnader för slitage på utrustning och underhåll
Att byta ut mekaniska stödverktyg (såsom slipskivor och fräsar) ökar ofta kostnaden för underhåll av utrustning. Ett specifikt formtillverkningsföretag säger att verktygsslitage orsakat av kvarvarande stöd har höjt de årliga underhållskostnaderna med 300 000 yuan, och att driftstopp har minskat produktionskapaciteten med 15 %.
4, Systematiska strategier för att hjälpa till med överblivna problem
1. Optimera utformningen av den bärande strukturen
Optimering av topologi: Använd simuleringsprogram som Magics för att automatiskt skapa lätta stödstrukturer som sänker kontaktytan. Efter att ha bytt till en träd-liknande supportdesign minskade ett företag antalet supportmaterial som användes med 60 % och tiden det tog att stödja med 75 %.
Material som kan lösas: Vatten-lösliga underlag som polyvinylalkohol (PVA) används för att lösa upp och ta bort komplexa inre kavitetskonstruktioner så att de inte kommer i kontakt med varandra. PVA-stödmaterialet för EOS M290-utrustning har använts effektivt för att tillverka delar till flygplan.
2. Teknik för support utan kontakt
Stöd med ultraljud: Använder högfrekventa-vibrationer (20–40 kHz) för att bryta stödstrukturen, vilket är bra för precisionsdetaljer. Sonic Mill-systemet kan arbeta med stöd som är mindre än 0,5 mm i diameter och har en ytjämnhet på mindre än 0,4 μm.
Plasmaetsning: Användning av plasma med låg-temperatur (en blandning av Ar- och O2-gaser) för att selektivt ta bort stöd utan att orsaka termiska konsekvenser. Magnalux magnetiska poleringslösning har använts för att stödja koboltkromlegeringsfästen, och ytkvaliteten är upp till medicinska krav.
3. Smart reglering av bearbetningsparametrar
Lågspänningsskärning: Trådskärning (WEDM) använder inställningar med en pulsbredd på mindre än 10 μs och en toppström på mindre än 5A för att sänka värmetillförseln. Genom att optimera parametrar kunde ett specifikt företag hantera tjockleken på det omsmälta lagret av titanlegeringsdelar efter kapning till 15 μm.
Skiktfräsning: För att sprida ut skärkrafter, en skiktfräsningsteknik med ett litet skärdjup (<0.2mm) and a high feed rate (>500 mm/min) används för tjocka stödsystem. Så här kontrollerar DMG MORI:s fem-axliga bearbetningscenter förvrängningen av stödavlägsnandet inom 0,02 mm.
4. Skydd och reparation efter bearbetning
Reparation med laserbeklädnad: För mikrorepor som uppstår efter att stödet tagits bort, används samma material för reparation av laserbeklädnad. Beklädnadslagret är 10–50 μm tjockt och har en bindningsstyrka på över 400 MPa. Denna teknik har använts av en viss tillverkare av flygdelar för att få tillbaka ythårdheten på delarna till mer än 95 % av designvärdet.
Elektrokemisk polering: Användning av en elektrolyt (en sådan blandning av fosforsyra och svavelsyra) för att selektivt lösa upp ojämnheter på ytan för att få en jämn finish. Efter elektrokemisk polering kan ytråheten Ra för titanlegeringsdelar sänkas från 3,2 μm till 0,2 μm, och deras motståndskraft mot korrosion kan ökas med tre gånger.