Kako spriječiti izobličenje tankog zida u metalnom 3D štampanju?

Zamislite gumenu traku koja se više puta zagrijava, rasteže, a zatim hladi dok je još uvijek stegnuta. To se otprilike dešava sloj po sloj. Laser topi malu količinu praha na ekstremnoj temperaturi. Materijal koji ga okružuje ostaje hladniji. Vruća zona pokušava da se proširi, ali ne može; kada se ohladi i skupi, ponovo ga drži čvrsti metal oko i ispod njega. Preostalo vlačno naprezanje stvara se na površini, a tlačno napon dublje unutar.

Tanke stijenke nemaju gotovo nikakvu krutost na savijanje, tako da čak i umjereno zaostalo naprezanje proizvodi vidljivo savijanje ili izvijanje. Nakon što je dio odrezan od ploče za izradu, blokirana naprezanja se slobodno oslobađaju, a tanki unutrašnji zidovi se prvi pomiču. Ovo je osnovni razlog iza većinemetalno 3D štampanje savijanjaproblemi sa unutrašnjim karakteristikama.

Nagomilavanje topline i neravnomjerno hlađenje

Tanki dijelovi se zagrijavaju i hlade mnogo brže od glomaznih područja. Toplota također slabo provodi kroz puder u prahu, tako da se visoki vitki zidovi mogu lokalno pregrijati. Veliki termalni gradijenti pokreću plastično naprezanje koje ostaje nakon izgradnje.

Preostalo naprezanje koje se oslobađa nakon rezanja ploče za izradu

Dok je dio još uvijek pričvršćen za debelu osnovnu ploču, veliki dio naprezanja je uravnotežen. Kada se uklone oslonci i baza, naprezanja se redistribuiraju. Tanki unutrašnji zidovi su obično prve karakteristike koje se pomeraju. Orijentacija u odnosu na premaz i protok gasa, odnos visine zida i debljine i oštri uglovi pojačavaju efekat.

Ne postoji jedinstveni magični broj. Apsolutne granice procesa mogu doseći 0,3–0,4 mm u idealnim uslovima, ali zidovi pouzdani u proizvodnji su deblji. Geometrija, visina, orijentacija i legura su sve bitne. Sljedeći rasponi odražavaju praktičnu minimalnu debljinu zida za metalnu 3D štampu koju koriste iskusni dobavljači usluga:

Odnos visine i debljine je podjednako važan. Visoki zid od 0,6 mm bez oslonca ima mnogo veću vjerovatnoću da se kopča od kratkog zida iste debljine. Ove brojke čine praktičnu osnovu smjernica za dizajn tankih zidova za proizvodnju metalnih aditiva.

Povećajte debljinu na sigurnu vrijednost ili dodajte lokalna rebra
Prelazak sa apsolutnog minimuma na preporučeni minimum dizajna dramatično povećava krutost. Tamo gdje su težina ili protok kritični, kratka unutrašnja rebra ili rešetka često rade bolje nego zadebljanje cijelog zida.

Oštre uglove zamijenite izdašnim filetima
Oštri uglovi djeluju kao koncentratori naprezanja i početne točke izvijanja. Glatki prijelazi smanjuju lokalne vrhove rezidualnog naprezanja.

Izbjegavajte velike ravne ravni jedne debljine
Zamijenite ih valovitim, udubljenim ili rešetkastim površinama. Dodatna geometrijska krutost otporna je na izobličenje izvan ravnine dok često smanjuje masu.

Kontrolirajte prelaze debljine
Nagli skokovi sa debljine na tanko stvaraju diferencijalno hlađenje i koncentracije naprezanja. Koristite postepene mješavine.

Optimizirajte orijentaciju dijelova
Izbjegavajte izgradnju tankih zidova kao visokih samostojećih vertikalnih elemenata kada je to moguće. Lagani nagib može poboljšati ekstrakciju topline i smanjiti polugu za momente preostalog naprezanja.

Ovih pet izmjena direktno se bave geometrijom vođenim uzrocima kvara tankih zidova i pomažu u sprečavanju izobličenja tankih zidova u metalnom 3D štampanju u fazi dizajna.

Pametne potporne strukture za tanke zidove

Oslonci ne samo da drže dio gore. Dobro dizajnirani nosači služe kao hladnjaci i mehanička ograničenja tokom izgradnje. Za tanke unutrašnje zidove koristite gušće, ali još uvijek uklonjive nosače ili žrtvovana rebra za ukrućenje koja se kasnije mogu obraditi. Rijetki oslonci ispod dugih tankih raspona gotovo uvijek uzrokuju probleme.

Strategija skeniranja i podešavanje parametara

Skeniranje otoka ili šahovnice, smanjena gustoća energije u tankim regijama i optimizirani razmak između šrafova pomažu u smanjenju vršnog zaostalog naprezanja. Neki sistemi dozvoljavaju lokalne skupove parametara za tanke karakteristike. Predgrijavanje ploče za izgradnju dodatno smanjuje toplinske gradijente.

Termička obrada za ublažavanje stresa prije uklanjanja s ploče

Ovo je jedan od koraka s najvećom polugom. Izvođenje odgovarajućeg toplinskog tretmana za smanjenje naprezanja za metalne 3D štampane dijelove dok je komponenta još uvijek pričvršćena na osnovnu ploču omogućava da se naprezanja opuste bez slobodnog izobličenja. Tipične temperature zavise od legure (oko 650 stepeni za 316L; niže za AlSi10Mg radi zaštite fine mikrostrukture). Tek nakon oslobađanja od naprezanja, dio treba odrezati. Iskusni dućani tretiraju ovaj niz kao o kojem se ne može pregovarati za kritične geometrije tankih zidova. Na tome će insistirati kompetentan proizvođač metalne 3D štampe.

Kupcu je bilo potrebno AlSi10Mg jezgro izmjenjivača topline sa unutrašnjim rebrima debljine samo 0,7–0,9 mm i složenim kanalima za hlađenje. Prvi prototipovi su pokazali jasno izvijanje peraja nakon uklanjanja oslonca - izmjereno odstupanje je dostiglo 0,4–0,6 mm na kritičnim perajima. Kanali više nisu zapečaćeni i ukupna visina gomile je bila izvan tolerancije.

Revidirani pristup kombinirao je dizajn i procesne promjene: lokalno zadebljanje na 1,0–1,1 mm na najkritičnijim rebrima, kratka rebra za ukrućenje, izdašne filete na spojevima, optimizirana orijentacija za smanjenje visokih vertikalnih tankih zidova, gušća podrška ispod niza rebara i kontrolirani ciklus rasterećenja naprezanja prije nego što se izvrši ciklus izrade ploče.

Rezultat: izmjereno odstupanje peraja palo je ispod 0,15 mm, prinos pri prvom prolazu porastao je sa otprilike 40 % na preko 90 %, a proizvodni raspored je obnovljen bez potpunog redizajna. Isti slijed jasno je skaliran od prototipa do male serije.

Kada je tačnost tankih zidova kritična, procijenite potencijalne partnere po ovim točkama:

Dokazano iskustvo sa sličnim geometrijama tankog zida ili unutrašnjeg kanala u istoj leguri.

In-house ili strogo kontrolirana sposobnost toplinske obrade (minimalno oslobađanje od stresa).

Spremnost da se daju jasne povratne informacije o dizajnu i dodavanju prije prve izrade.

Sposobnost mjeriteljstva (CMM ili optičko skeniranje; CT ako su interni kanali složeni).

Rekord prelaska sa prototipa na stabilne male serije ili veleprodajne metalne 3D štampane delove bez ponavljanja izobličenja.

Sposobna fabrika za 3D štampanje metala po meri tretira upravljanje rezidualnim stresom kao deo procesa, a ne kao naknadnu misao. Oni također mogu pružiti uslugu metalne 3D štampe za složene dijelove koja uključuje neophodnu sekvencu naknadne obrade.

Kombinovanjem razumnih izbora debljine zida, geometrije koja je otporna na izvijanje, inteligentnih potpora i strategija skeniranja, kao i ublažavanja naprezanja dok je deo još uvek ograničen, možete pouzdano sprečiti izobličenje tankog zida u metalnom 3D štampanju. Rezultat su dijelovi koji se uklapaju prvi put, veći prinosi i kraće ukupno vrijeme isporuke.