Da li veličina čestica metalnog praha utiče na kvalitet štampe kalupa?

一, Način na koji veličina čestica utiče na kvalitet štampe: sinergijski efekat na više načina
1. Puder se ravnomjerno raspoređuje: Gustoća sloja praha je zasnovana na veličini čestica.
Prvi korak u metalnoj 3D štampi je distribucija praha, a to koliko je ravnomerno direktno utiče na početni kvalitet kalupa. Čestice praha koje su male (manje od 15 μm) imaju tendenciju da se drže zajedno jer imaju veliku površinsku energiju. To može uzrokovati šupljine ili grudvice u sloju praha. S druge strane, ako su čestice prevelike (više od 53 μm), mogu dobro teći, ali ograničavaju minimalnu debljinu sloja, što otežava izradu finih karakteristika kao što su strukture sa tankim{6}}stinama. Na primjer, kada se koristi prah od nehrđajućeg čelika 316L s česticama veličine od 15 do 45 μm u SLM procesu, debljina sloja praha može se održati između 30 i 50 μm, a gustoća sloja praha može doseći 99,2%. Ali kako veličina čestica prelazi ovaj raspon, poroznost se mnogo povećava.
Razumnost distribucije veličina čestica je jednako važna. Upotreba bimodalne distribucije (miješanje grubih i finih čestica) pomaže u poboljšanju gustoće pakiranja praha. Fine čestice popunjavaju prostor između grubih čestica, što povećava gustinu labavog pakovanja za 10% do 15%. Ovo smanjuje unutrašnje nedostatke u kalupu. Poboljšanjem omjera veličine čestica praha Ti6Al4V (D50=35 μm, D90=50 μm), određena zrakoplovna kompanija povećala je gustinu kalupa lopatica turbine sa 98,5% na 99,7% i vijek trajanja za 20%.
2. Stabilnost bazena: ravnoteža između veličine čestica i apsorpcije energije koja se mijenja tokom vremena
Otopljeni bazen je glavni dio gdje se metalni prah topi, a njegova stabilnost ovisi o tome koliko dobro prah apsorbira energiju laserskog/elektronskog snopa. sitne čestice imaju veliku specifičnu površinu i brzu apsorpciju toplote. Međutim, puderi koji su premali (npr<10 μ m) can splash because to thermal stress concentration, which can cause porosity or incomplete fusing flaws. To thoroughly melt coarse particles, you need more energy, and not enough energy can make the layers stick together poorly. For instance, when printing with AlSi10Mg aluminum alloy, powders with a particle size of 20–50 μ m may make a stable melt pool at a laser power of 200W. However, when the particle size is>60 μm, stopa parcijalnih defekata fuzije ide do 15%.
Neravnomjerna raspodjela veličine čestica također može uzrokovati nejednakost u provođenju topline u određenim područjima, što može doprinijeti koncentraciji zaostalog naprezanja. Studija je pokazala da korištenje Inconel 718 praha sa širokom distribucijom veličine čestica (10-100 μm) za štampanje kalupa povećava zaostalo naprezanje za 30% u poređenju sa ograničenom distribucijom (20-50 μm). To čini rizik od deformacije savijanja mnogo većim.
3. Kvalitet površine i tačnost: direktna kontrola veličine čestica na hrapavosti
Hrapavost površine kalupa je dobar način da se kaže koliko dobro ide štampa, jer je direktno proporcionalna veličini čestica praha. Što su čestice manje, to je površina glatkija. Međutim, ako je prah previše fin, ne teče dobro i može uzrokovati neravnomjerno širenje praha, što čini površinu grubljom. Na primjer, ako koristite kalupe za štampanje u prahu 316L sa D50 od 25 μm, možete zadržati hrapavost površine Ra unutar 8 μm. Ali ako koristite prah s D50 od 15 μm, vrijednost Ra će biti iznad 15 μm jer se čestice lijepe zajedno.
Kada birate veličinu čestica za složene strukturne kalupe (kao što su konformni kanali za hlađenje), morate pronaći kompromis između točnosti i lakoće upotrebe. Jedna kompanija koja proizvodi kalupe za automobile uspjela je napraviti precizne oblike s minimalnim otvorom od 0,5 mm korištenjem martenzitnog ostarjenog čeličnog praha veličine čestica od 30-60 μm. Također su se pobrinuli da hrapavost Ra unutrašnjeg zida plovnog puta bude manja ili jednaka 10 μm.
2, Prilagodba veličine čestica uobičajenih procesa: različite potrebe za SLM i EBM
1. SLM proces: kombinacija male veličine čestica i visoke tačnosti
SLM tehnika koristi laser kao izvor energije, a prečnik koncentrisane tačke je obično između 50 i 100 μm. Dakle, trebate odabrati sitno-zrnati prah (15–53 μm) koji odgovara veličini mrlje. Fine čestice mogu brzo apsorbirati lasersku energiju i stvoriti homogenu talinu, ali se količina kisika mora održavati ispod 150 ppm kako bi se izbjegle inkluzije oksida. Na primjer, pri izradi kalupa za ortopedske implantate od legure titana, TC4 prah s veličinom čestica od 20-45 μm i nivoom kisika od 80 ppm može zadovoljiti visoke-standarde preciznosti tolerancije otvora ± 0,02 mm i hrapavosti površine Ra < 5 μm.
2. EBM proces: pronađite kompromis između velike veličine čestica i visoke efikasnosti.
EBM metoda koristi snop elektrona kao izvor energije. Njegova svojstva raspodjele gustine energije su bolja za topljenje krupnih čestica (53–150 μm). Grube čestice mogu smanjiti broj slojeva praha, ubrzati štampanje i smanjiti zaostalo naprezanje. Kada određena kompanija za avio-mašine koristi EBM za izradu kalupa za turbinske diskove od visokotemperaturnih legura na bazi nikla-na bazi-, ona bira prah s česticama veličine od 60 do 105 μm. Deformacija savijanja se održava u granicama od 0,1 mm pri temperaturi predgrevanja od 700 stepeni, a brzina štampanja je tri puta veća od SLM.
3. LENS proces: usklađivanje veličine čestica i stabilnosti unošenja praha
Tehnika LENS (Laser Near Clean Forming) koristi koaksijalni pristup dodavanju praha. Da bi se osiguralo stabilno punjenje praha, mora se odabrati grubi prah veličine čestica od 105 do 180 μm. Grube čestice mogu pomoći da se cijev za dovod praha ne začepi, ali brzina skeniranja (600–1000 mm/s) mora biti postavljena na pravu razinu kako bi se izbjegle nepotpune greške u fuziji. Specifična kompanija za popravku kalupa koristila je LENS tehnologiju da popravi kalupe za livenje pod pritiskom, koristeći H13 čelični prah sa česticama veličine 120–150 μm. Sa snagom lasera od 1000 W i brzinom skeniranja od 800 mm/s, utvrđeno je da je metalurška snaga veze između sloja za popravak i podloge najmanje 400 MPa.
3,Strategija za optimizaciju veličine čestica: potpuna kontrola procesa od pripreme do post{1}}tretmana
1. Priprema praha: izbor između aerosolizacije i PREP tehnologije
Raspršivanje plina (GA) je sada najčešći način za pravljenje praha jer je jeftin i dobro funkcionira. Međutim, često pravi satelitski prah (male čestice koje se lijepe za površinu većih čestica) i šuplji prah, što umanjuje kvalitetu štampe. Proces atomizacije plazma rotirajućih elektroda (PREP) može napraviti visokokvalitetne prahove-sa sferičnosti većom od 98% i sadržajem satelitskog praha manjim od 0,5% topljenjem metala pomoću -brzinskih rotirajućih elektroda. Međutim, oprema je skupa. Vrhunski{8}}proizvođač kalupa je poboljšao vijek trajanja zamora praha od 316L napravljenog pomoću PREP procesa sa 100.000 ciklusa na 500.000 ciklusa.
2. Skrining prema veličini čestica: dvostepeni pregled i optimizacija gradacije
Dvostepeno prosijavanje (kao što su sita od 30 μm i 53 μm) se može koristiti za dobijanje praha sa uskom distribucijom veličine čestica. Ovo zaustavlja neravnomjerno širenje praha koje se događa kada se krupne i male čestice pomiješaju. Kombinacijom prahova s ​​različitim veličinama čestica, možete poboljšati ocjenjivanje povećanjem nasipne gustine. Na primjer, miješanje 20% finog praha od 10-20 μm sa 80% grubog praha od 30-50 μm može povećati nasipnu gustinu sa 4,2 g/cm³ na 4,8 g/cm³.
3. Nakon tretmana: vruće izostatičko presovanje i poliranje površine
Vruće izostatičko presovanje (HIP) može popuniti rupe u kalupima i povećati gustinu na više od 99,9%. Prema studiji, otpornost na zamor kalupa Ti6Al4V koji su tretirani HIP-om je 40% veća od otpornosti kalupa koji nisu tretirani. Poliranje površine može je učiniti još glatkijom. Na primjer, tehnologija elektrolitičkog poliranja može smanjiti hrapavost površine kalupa sa Ra10 μm na Ra0,2 μm, što je dovoljno dobro za vrhunske optičke kalupe i druge namjene.