5 распространенных проблем, с которыми сталкивается 3D-печать металлом - и как их исправить

За последние несколько лет 3D-печать металлом добилась впечатляющих успехов, и компании все чаще вкладывают средства в технологии для сложных промышленных приложений. Однако, помимо преимуществ производства легких сложных металлических компонентов, существует также ряд проблем, которые необходимо преодолеть в процессе 3D-печати металлом. В сегодняшнем руководстве будут рассмотрены основные проблемы, с которыми сталкиваются при 3D-печати металлов, и способы их решения.

3D-печать металлом - обзор

Когда дело доходит до 3D-печати металлом, существует целый ряд процессов печати. Их можно условно разделить на три группы:

• Процессы плавления в порошковом слое (SLM, EBM)
• Прямое выделение энергии (DED)
• Обработка металлическим переплетом

Порошковая кровать Fusion является наиболее распространенным методом производства металлических деталей с использованием AM, и включает использование лазерного луча (SLM) или электронного луча (EBM) для выборочного расплавления слоя порошкового материала, равномерно распределенного на платформе сборки.>

Прямое выделение энергии охватывает ряд технологий и обычно включает процесс плавления материала с помощью лазера или электронного луча перед нанесением на строительную платформу. Затем объект формируется слой за слоем. В то время как в этом процессе могут использоваться полимеры и керамика, DED обычно используется с металлами в виде порошка или проволоки.

Струйная очистка металлического переплета использует печатающую головку для нанесения жидкого связующего вещества на слои порошка, который сплавляет частицы порошка слой за слоем. Связанный порошок затем может быть дополнительно пропитан другим металлом (обычно бронзой) для достижения более высокой плотности.

Каждый из процессов имеет свои сильные стороны и ограничения, но есть общие проблемы, которые обычно возникают при 3D-печати металлов - и эти проблемы должны быть, чтобы достичь наилучших возможных механических характеристик для ваших металлических деталей, напечатанных на 3D-принтере.

5 распространенных проблем, которых следует остерегаться

1. Пористость

Металлические детали, напечатанные на 3D-принтере, часто имеют высокую пористость, которая возникает в процессе печати, поскольку внутри детали образуются небольшие отверстия и полости. Эти крошечные, обычно микроскопические поры могут вызывать низкую плотность - чем больше пор, тем меньше плотность вашей детали. Они также могут напрямую влиять на механические свойства детали, делая ее склонной к трещинам или другим повреждениям, особенно при воздействии высоких нагрузок.

Как правило, есть две основные причины высокопористых металлических деталей, напечатанных на 3D-принтере:либо проблема с технологией производства порошка, либо сам процесс 3D-печати. Например, использование газового распыления может иногда вызывать образование пор в порошковом материале. Однако более распространенным источником таких крошечных отверстий является процесс печати, когда энергии недостаточно, и поэтому металл не может расплавиться должным образом. Обратное также может применяться:чрезмерная энергия лазера может вызвать разбрызгивание капель расплавленного материала, что приведет к образованию пор.

Как уменьшить пористость металлических деталей

К счастью, есть несколько способов устранить пористость в металлических деталях, напечатанных на 3D-принтере, и получить более прочные и долговечные детали:

• Поскольку качество материала иногда может быть причиной высокой пористости, покупайте сырье у проверенного поставщика.
• Пористость, возникающая в процессе печати, может быть устранена путем настройки параметров вашего принтера.

• Правильная плотность может быть достигнута с помощью методов последующей обработки, таких как горячее изостатическое прессование. Это устраняет любые возможные полости и улучшает механические свойства металлической детали, напечатанной на 3D-принтере.
• Для наплавленных деталей с порошковым слоем инфильтрация - еще один вариант последующей обработки. Этот метод используется для заполнения оставшихся пустот в металлической детали.

2. Плотность

Промышленное применение металлических деталей, напечатанных на 3D-принтере, часто требует высоких механических свойств, поэтому плотность детали чрезвычайно важна. Когда деталь работает в условиях циклического напряжения, ее плотность определяет, выйдет ли деталь из строя под нагрузкой. Другими словами, чем меньше плотность детали, тем больше вероятность ее растрескивания под давлением. Технологии порошкового покрытия (SLM, EBM) позволяют изготавливать детали с плотностью 98% и выше, что имеет решающее значение для тяжелых условий эксплуатации.

Увеличение плотности ваших деталей

Чтобы обеспечить постоянное качество и плотность детали, необходимо оптимизировать конкретные параметры материала, такие как размер частиц, форма, распределение и сыпучесть. Частицы сферической формы могут иметь более высокую плотность, например, поскольку они могут достигать максимальной относительной плотности по сравнению с другими формами.

Однако, поскольку существует ряд переменных, которые могут повлиять на плотность детали, общее практическое правило состоит в том, чтобы сначала оценить качество металлического порошка и соответствующим образом отрегулировать параметры процесса.

3. Остаточный стресс

Нагрев и последующее охлаждение - общие черты процессов металлического АМ. Однако когда деталь подвергается таким экстремальным тепловым изменениям, это может привести к остаточному напряжению. Остаточное напряжение неблагоприятно сказывается на целостности изготовленной детали, приводя к различным формам деформации. Самая высокая концентрация остаточного напряжения наблюдается в области контакта между нижней частью печатной детали и платформой для печати. ​​

Снижение остаточного стресса

Поскольку остаточное напряжение может иметь значение между успешной печатью металла и разрушением конструкции, эту проблему следует решить надлежащим образом, и есть несколько способов сделать это:

• Прогнозное моделирование можно использовать для оценки соответствующих параметров, таких как подвод тепла и толщины слоя, для создания компонентов с низким остаточным напряжением.
• Создание опорных конструкций и оптимизация ориентации деталей также могут минимизировать возникновение остаточного напряжения.
• Предварительный нагрев платформы для печати и строительного материала перед началом печати снижает температурные градиенты, которые часто являются причиной остаточного напряжения. Однако, поскольку EBM работает при более низкой температуре, этот метод более успешен с EBM, чем с SLM или DED.
• В процессах плавления в порошковом слое стратегия «островкового» сканирования может помочь уменьшить накопление остаточных напряжений. Эта стратегия работает за счет разделения области экспонирования на более мелкие участки, называемые «островками», и позволяет сократить длину векторов сканирования.

4. Растрескивание и деформация

Остаточное напряжение может быть очень разрушительным, что приводит к ряду структурных проблем в детали, среди которых наиболее частыми являются растрескивание и деформация. Такие проблемы обычно возникают, когда расплавленный металл остывает после печати. Охлаждение вызывает сжатие, в результате чего края детали скручиваются и деформируются. В крайних случаях напряжение может превышать прочность детали, что приводит к растрескиванию детали (растрескивание также может произойти, если порошковый материал не был расплавлен должным образом).

Предотвращение растрескивания и деформации

Есть два основных способа предотвратить растрескивание и деформацию металлической детали. Один из вариантов - это предварительно нагреть платформу для печати, а другой - улучшить адгезию детали к платформе для печати и разместить необходимое количество поддерживающих структур. Термическая постобработка также может помочь устранить мелкие трещины, а установка правильного количества поддерживающих структур с вашей стороны, по сути, предотвращает коробление.

5. Постобработка и шероховатость поверхности

Как правило, металлические детали не готовы к окончательному применению, когда они впервые напечатаны, и им необходимо будет пройти некоторую форму последующей обработки, такую ​​как удаление порошка и опор, термическая обработка и обработка поверхности. Но очень часто вы столкнетесь с некоторыми проблемами на этапах постобработки.

Например, вы можете столкнуться с проблемами при удалении опорных конструкций на ваших частях. Это может произойти, например, если ваша металлическая деталь имеет опоры в небольших отверстиях и трубках. Их может быть трудно удалить, не повредив деталь, и потребуется последующая обработка.

Другая проблема - шероховатость поверхности. Компоненты, изготовленные аддитивным способом для высокопроизводительных приложений, требуют средней шероховатости поверхности, но детали, напечатанные на 3D-принтере, часто производятся с шероховатой поверхностью и требуют дополнительной постобработки, такой как механическая обработка, шлифовка или полировка для достижения лучшего результата. Поскольку шероховатость поверхности напрямую связана с толщиной слоя, ее можно уменьшить, печатая более тонкими слоями. Однако изготовление детали с использованием более тонких слоев может значительно увеличить время сборки.

Шероховатая поверхность также может быть результатом неправильного плавления порошка. Это происходит, когда было приложено недостаточно энергии для полного расплавления металла. В этом случае шероховатость поверхности можно уменьшить, увеличив мощность лазера.

Подводя итоги

Несмотря на то, что существует ряд потенциальных проблем при использовании AM для производства металлических деталей, понимание этих проблем является первым шагом на пути к производству высококачественных и надежных компонентов. А с продолжающимся ростом металлической 3D-печати мы, безусловно, увидим рост использования металлических компонентов аддитивного производства, используемых в промышленных приложениях.