Måste alla 3D-utskrivna metalldelar genomgå efterbearbetning-?

1. Teknisk princip: "Medfödda defekter" i additiv tillverkning och ett sätt att åtgärda dem i efter-bearbetning
Grundidén bakom metall 3D-utskrift är "lager för lager stapling." Detta innebär att metallpulver smälts med en laser- eller elektronstråle för att skapa en tre-dimensionell form. Även om denna procedur kan göra komplicerade geometriska strukturer utan kostnad, kommer den alltid att ha följande tekniska problem:

För mycket grovhet på ytan: Smältbassängens stelningsmarkeringar mellan de tryckta skikten skapar en "stegeffekt", vilket gör ytjämnheten (Ra-värdet) högre än den skulle vara med traditionell bearbetning. Till exempel kan titanlegerings 3D-tryckta delar ha en ytråhet på Ra 10–20 μm, medan flygmotorblad behöver en ytjämnhet på Ra som är mindre än eller lika med 0,8 μm.
Bygger upp kvarvarande spänningar: Om du värmer och kyler en del snabbt kan det skapa dragspänning inuti delen, vilket kan göra att den böjas, deformeras eller spricker. En fallstudie av ett flygkonstruktionskomponentprojekt visar att 3D-tryckta titanlegeringsdelar som inte är behandlade kan böjas med upp till 1,2 mm efter fräsning, vilket är mycket mer än designtoleransen.
Defekter i mikrostrukturen: Mikrobrister som porositet och brist på sammansmältning i bitarna orsakas av hur pulvermetallurgiformning fungerar. Forskningsdata indikerar att porositeten hos komponenter i aluminiumlegeringar som tillverkas med SLM-tekniken kan nå 0,5 % till 2 %, vilket markant minskar utmattningslivslängden.
Efter-bearbetningsteknik använder fysikaliska, kemiska eller termodynamiska metoder för att lösa problemen som anges på ett specifikt sätt:

Mekanisk bearbetning: En CNC-maskin med fem-axlar kan göra viktiga ytor jämna nog att vara under Ra 0,4 μm.
Värmebehandling är processen att bli av med kvarvarande stress och förbättra kornstrukturen. Glödgning och lösningsbehandling är två exempel på detta. Till exempel, efter värmebehandling, minskar restspänningen hos en turboladdardel i en viss bil med 75 % och dimensionernas stabilitet ökar med 30 %.
Varm isostatisk pressning (HIP): komprimering av porer i en miljö med högt tryck och temperatur för att få en materialdensitet nära 100%. Inom flygindustrin har HIP-behandling visat sig fördubbla eller tredubbla utmattningslivslängden för delar.
2. Kvalitetskrav: gå från "användbar" till "pålitlig"
Kvalitetskriterierna för de platser där 3D-utskrivna metalldelar kommer att användas är direkt kopplade till efter-bearbetningsbehoven för sådana delar. Efter-bearbetning har blivit ett nödvändigt steg i följande situationer:

Område med hög precision: Medicinska implantat måste uppfylla den medicinska standarden ISO 13485, och ytråheten måste hållas till Ra 0,8 m för att förhindra att bakterier fastnar på dem. För att säkerställa att det inte finns några inre brister, måste flygplansmotorblad testas på ett sätt som inte skadar dem, till exempel CT-skanning. Porositeten måste vara mindre än 0,1 %.
Dynamisk lastmiljö: Delar som växlar, axlar och andra delar i bilar måste kunna hantera växlande påfrestningar. Restspänningskoncentration kan minska utmattningslivslängden för obehandlade 3D-utskrivna delar med mer än 50 %.
För att vara -korrosionsbeständiga måste marintekniska delar klara saltspraytestet (som ASTM B117-standarden). Ytbehandlingar som anodisering och galvanisering kan ge en skyddande film som gör delar mer än tio gånger mer motståndskraftiga mot korrosion.
Men alla situationer behöver inte mycket efterbearbetning-. Till exempel,

Stadium av prototypverifiering: För att påskynda utvecklingscykeln kan precisionsbearbetning utelämna icke-kritiska element som används för funktionstestning. Genom att snabbt producera skalprototyper minskade ett hemelektronikföretag tiden det tog att göra ändringar i designen från 6 veckor till 2 veckor.
Delar som utgör insidan: Om inbäddade element eller ytor som inte berör varandra inte påverkar den totala prestandan, kan den ursprungliga ytan behållas. Bränsleledningsfästet på en viss flygplansmotor har förbättrats så att bara 40 % av området behöver bearbetas igen.
System för specialmaterial: På grund av sin homogena mikrostruktur kan 3D-printade delar gjorda av några nya legeringar, inklusive högentropilegeringar, omedelbart uppfylla prestandakriterier. Studier har visat att CoCrFeNi-legeringskomponenter med speciella sammansättningar kan uppfylla krav på slitstyrka utan att behöva värmebehandling efter-tryckning.
3, Kostnad och effektivitet: Den "ekonomiska gränsen" för efterbearbetning
När du väljer efter-bearbetning måste du hitta en balans mellan bättre prestanda och högre kostnader. Låt oss till exempel titta på ett projekt för en viss del av ett flygplans struktur:

Kostnad för direktutskrift: Det tar 120 timmar att skriva ut delarna, och utrustningen och pulvret kostar ungefär 80 000 yuan.
Kostnaden för efter-bearbetning är 20 000 yuan för värmebehandling, 30 000 yuan för CNC-precisionsbearbetning och 10 000 yuan för testning, för totalt 60 000 yuan.
Omfattande fördelar: Efter-bearbetning har kvalificeringsgraden för delar höjts från 65 % till 92 %, sänkt enhetskostnaden från 123 000 yuan till 109 000 yuan och uppfyllt kraven för luftvärdighetscertifiering.
I branschen beror den "ekonomiska gränsen" för efter-bearbetning på följande saker:

Delkomplexitet: Ju mer komplicerad struktur, desto svårare och dyrare är den att bearbeta. Till exempel, för att ta bort stöd från en turbinskiva med en intern flödeskanal, kostar det mer än 50 000 yuan varje bit att skära igenom tråden med elektrisk urladdning.
Batchskala: samtidigt som man gör saker i små partier är kostnaden för efterbearbetning-utspridd mycket; samtidigt som man gör saker i stor skala kan processoptimering sänka kostnaden per enhet. Ett visst bilföretag har sänkt priset på en vara från 150 yuan till 80 yuan genom att använda typiska efterbehandlingsmetoder-.
Prestandaredundans: Om designen tillåter vissa förändringar i prestanda kan den minska antalet steg som behövs efter bearbetning. Till exempel minskade en viss verktygsfixtur leveranstiden med 40 % genom att ändra toleransintervallet och ta bort värmebehandlingssteget.