Vad är efter-bearbetning för 3D-utskrift av metall? Varför behövs efterbehandling-?

一, vad efter-bearbetning för 3D-utskrift av metall är och vad är dess huvudsakliga mål
Efter-bearbetning av metall 3D-utskrift är en serie steg som tas på tryckta delar efter att metalltillverkning är klar. Dessa steg inkluderar fixering, optimering och bearbetning av delarna för att bli av med tillverkningsbrister, förbättra prestandaindikatorer och möta behoven för vissa applikationer. Huvudmålen med det kan sammanfattas som:

Kvalitetsförbättring: bli av med problem som mellanskiktsbindningsbrister och grova ytor som gör delar mindre tillförlitliga.
Prestandaoptimering: Värmebehandling, ytmodifiering och andra behandlingar kan förbättra viktiga materialkvaliteter som styrka, hårdhet och motståndskraft mot korrosion.
Dimensionell korrigering: Kompensera för termisk deformation och krympning som inträffar under utskrift för att säkerställa att bitarna uppfyller designtoleranskraven.
Funktionell integration: ger delar mer komplicerade övergripande prestanda genom att stärka deras struktur eller kombinera olika material.
Till exempel, inom flygindustrin, används metall 3D-utskrift för att göra den allmänna ramen för en viss typ av raketmotorbränsletank. Sedan används varm isostatisk pressning (HIP) behandling för att bli av med eventuella inre porer. Därefter används CNC-fräsning för att forma tätningsytan och anodiseringsbehandling används för att göra den mer motståndskraftig mot korrosion. Denna serie av procedurer efter bearbetning gör delarna 30 % starkare, 40 % lättare och kan täta under mycket svåra förhållanden.

2, det huvudsakliga tekniksystemet för efter-bearbetning
Det finns fyra tekniska moduler i efter-bearbetningen av 3D-utskrift av metall: materialborttagning, värmebehandling, ytbehandling och strukturell förstärkning. Varje modul är en del av en större lösning som fungerar för olika situationer.

1. Materialborttagning: snidning med noggrannhet från "grov" till "fin"
Metall 3D-utskrivna föremål kan ofta inte användas direkt eftersom de har överblivna stödstrukturer och grova ytor (Ra-värden kan vara så höga som 10–20 μm). Materialborttagningsteknik använder mekanisk bearbetning, laserskärning eller kemisk korrosion för att göra följande:

För att ta bort stödstrukturen, använd kryogen-assisterad peeling eller mekaniska skärverktyg för att se till att stödet tas bort helt utan att skada det utskrivna föremålet. Till exempel fryses en tryckt del av ett bilhjulsnav vid låg temperatur, vilket gör den bärande strukturen ömtålig och lättare att skala av. Detta ökar effektiviteten med 50 %.
Efterbehandling av ytan: CNC-fräsning, slipning eller polering kan göra ytans grovhet mindre än Ra0,8 μm. En fem--axlig kopplingsbearbetningscentral användes för att spegelpolera flödeskanalens yta efter att ha skrivit ut bladen på en viss flygmotor. Detta minskade luftflödesmotståndet med 15 %.
Storlekskorrigering: Använd en koordinatmätutrustning för att få återkopplingsdata och fixa eventuella storleksförändringar som inträffar under utskrift med hjälp av mekanisk bearbetning. Mikrofräsningsteknik håller dimensionsnoggrannheten för ett tryckt medicintekniskt implantat inom ± 0,01 mm, vilket är vad som behövs för kirurgisk insättning.
2. Värmebehandling: en spel-omvandlare för att kontrollera mikrostrukturens prestanda
Värmebehandling gör sig av med restspänningar som byggs upp vid tryckning (upp till 50 % till 70 % av materialets sträckgräns) och förbättrar materialets kornstruktur genom att reglera värme- och kylkurvan. Några vanliga metoder är:

Glödgningsbehandling: Värm delen under den temperatur vid vilken den kan omkristallisera och håll den varm för att bli av med inre stress och göra den mer flexibel. Vakuumglödgningsbehandling minskade kvarvarande stress med 80 % och tredubblade utmattningslivslängden för ett ortopediskt implantat av titanlegering efter att det tryckts.
Fast lösning och åldringsbehandling: För material som nickel-baserade hög-högtemperaturlegeringar löser behandling av fast lösning upp förstärkningsfasen, och sedan åldrande behandling orsakar att fina fällningar bildas, vilket avsevärt ökar hög-temperaturhållfastheten. Efter tryckning av turbinskivan för en given flygmotor förbättrade fast lösning och åldringsbehandling dess krypmotstånd vid 650 grader med 40 %.
Varmisostatisk pressning (HIP) använder både hög temperatur (vanligtvis 0,7–0,9 gånger materialets smältpunkt) och högt tryck (100–200 MPa) för att få bort inre porer och göra materialet tätare. Efter att ha skrivit ut en specificerad del av en satellitstruktur höjde HIP-bearbetningen densiteten från 99,2 % till 99,95 % och utmattningsgränsen med 25 %.
3. Ytbehandling: Från "funktionalisering" till "intelligentisering" inom ytteknik
Genom att modifiera ytmorfologin eller den kemiska sammansättningen hos föremål ger ytbehandlingstekniken dem specifika egenskaper, inklusive motståndskraft mot korrosion, slitage och biokompatibilitet. Några vanliga tekniker är:

Sandblästring och polering: Sandblästring använder snabbt-sandpartiklar för att träffa ytan, vilket gör den jämnt grov (Ra3,2–6,3 μm) och hjälper beläggningen att fästa bättre. Polering gör sedan ytan ännu slätare, under Ra0,4 μm, för att uppfylla optiska eller tätningsbehov.
Galvanisering och kemisk plätering är två sätt att lägga till lager av metall eller legering på ytan av föremål för att göra dem mer motståndskraftiga mot rost eller bättre på att leda elektricitet. Nickelpläteringsbehandling sänkte korrosionshastigheten med 90 % i en 3,5 % NaCl-lösning efter att ha skrivit ut en specifik maritim teknisk del.
Laserbeklädnad: En hög-laserstråle smälter legeringspulver och bildar en beläggning som är 0,1–5 mm tjock på föremålets yta. Detta gör den mycket mer motståndskraftig mot slitage. Laserbeklädnad av en Stellite 6-legeringsbeläggning ökade slitstyrkan hos kugghjulen på en viss gruvutrustning fem gånger efter att de tryckts.
Mikrobågeoxidation: En keramisk oxidfilm sätts på ytan av aluminium- och magnesiumlegeringar för att göra dem mer motståndskraftiga mot slitage och korrosion. Mikrobågsoxidationsbehandling ökade korrosionsbeständighetstiden till mer än 1000 timmar i saltspraytestet efter att ha skrivit ut fästet för ett nytt batteripaket för energifordon.
4. Strukturell förstärkning: ändra prestanda från "enkelt material" till "kompositstruktur"
Genom att lägga till förstärkningsfaser eller förbättra lastöverföringsvägar gör strukturell förstärkningsteknik att delar fungerar bättre mekaniskt överlag. Några vanliga sätt är:

Fiberförstärkning: Lägga kol- eller keramiska fibrer i en metallmatris för att skapa en kompositmaterialstruktur. Efter tryckning gjordes en viss del av ett flygplans struktur starkare genom att lägga till kortklippta kolfibrer, vilket gjorde det 30 % starkare i form av specifik styrka.
Designa material med gradienter: Du kan variera materialets kvaliteter genom att ändra pulverblandningen eller tryckparametrarna. De tryckta delarna av en kärnkraftsventil har en gradientstruktur gjord av nickel-baserat legerat rostfritt stål. Detta gör dem 40 % mer motståndskraftiga mot utmattning i en termisk-mekanisk kopplingsmiljö.
Design av gitterstrukturer: Använder topologioptimering för att göra lätta gitterstrukturer som är mer än 50 % lättare men ändå starka. Efter att ha skrivit ut en specifik satellitkonsol antar den en tetraedrisk gitterstruktur, vilket gör den dubbelt så styv och 60 % lättare.
3, Behovet av efter-bearbetning: ett hopp från "teknisk genomförbarhet" till "teknisk tillförlitlighet"
Behovet av efter-bearbetning i 3D-utskrift av metall beror på konflikten mellan de grundläggande egenskaperna hos additiv tillverkningsteknik och de rigorösa kraven från tekniska tillämpningar. Specifikt ses dess nödvändighet i följande aspekter:

1. Bli av med produktionsbrister och se till att produkten fungerar som den ska.
Termisk stress från snabb uppvärmning och nedkylning, porer som bildas när pulvret inte smälter helt, och svag bindning mellan skikten kan alla göra bitarna mindre hållbara och mer benägna att gå sönder under hela 3D-utskriftsprocessen av metall. Till exempel kan utmattningsgränsen för nickel-baserade hög-legeringstryckta delar utan HIP-behandling vara mindre än 50 % av smidda delar; efter glödgning för att avlägsna kvarvarande spänningar kan emellertid utmattningslivslängden för den smidda delen överstiga 80 %.

2. Uppnå prestationsmål och bredda utbudet av applikationer
Kraven på detaljprestanda varierar mycket beroende på applikation. Inom flygindustrin måste delar fungera bra i miljöer med höga temperaturer, höga tryck och höga vibrationer. Inom medicinteknikområdet måste delar vara biokompatibla och resistenta mot korrosion från kroppsvätskor. Bilindustrin är mer intresserad av att göra delar lättare och billigare. Efter-bearbetningsteknik gör det möjligt för 3D-metallutskrifter att tillfredsställa dessa specifika behov genom att optimera dem för dessa ändamål. Till exempel kan förbränningskammaren i en viss typ av flygplansmotor fortfarande vara strukturellt sund vid en hög temperatur på 1200 grader efter att ha skrivits ut, tack vare värmebehandling och beläggningsbehandling. Efter att ha skrivit ut ett anpassat ortopediskt implantat av titanlegering reducerades ytråheten till Ra0,2 μm genom poleringsbehandling med syratvätt, vilket avsevärt förbättrade vidhäftningen av benceller.

3. Gör ekonomin mer effektiv och uppmuntra stora användningsområden
Metall 3D-utskrift är billigare för att göra komplicerade strukturer, men kostnaderna för råvarorna (sådant titanlegeringspulver, som kostar flera hundra yuan per kilogram), värdeminskningen av utrustningen och energin som används är fortfarande ganska höga. Efter-bearbetningsteknik sänker den totala livscykelkostnaden genom att använda material bättre (till exempel återvinna mer än 80 % av pulvret), sänka skrotfrekvensen (till exempel sänka defektfrekvensen genom onlinedetektering och realtidskorrigering) och förlänga livslängden för delar (till exempel göra delar mer motståndskraftiga mot korrosion genom ytbehandling). Till exempel har en viss produktionslinje för utskrift av bilhjulsnav minskat tiden det tar att producera ett stycke från 8 timmar till 2 timmar genom att lägga till ett automatiskt efterbehandlingssystem.- Detta har lett till en total kostnadsbesparing på 35 %.