Tutte le parti metalliche stampate in 3D devono essere sottoposte a post-elaborazione?

1. Principio tecnico: "difetti congeniti" nella produzione additiva e un modo per risolverli nella post-elaborazione
L’idea di base alla base della stampa 3D in metallo è “l’impilamento strato per strato”. Ciò significa fondere la polvere metallica con un raggio laser o elettronico per creare una forma tridimensionale. Anche se questo procedimento può realizzare strutture geometriche complesse senza alcun costo, presenterà sempre i seguenti problemi tecnici:

Troppa ruvidità sulla superficie: i segni di solidificazione del bagno di fusione tra gli strati stampati creano un "effetto gradino", che rende la ruvidità superficiale (valore Ra) superiore a quella che sarebbe con la lavorazione tradizionale. Ad esempio, le parti stampate in 3D in lega di titanio possono avere una rugosità superficiale di Ra 10–20 μm, mentre le pale dei motori aeronautici necessitano di una rugosità superficiale di Ra inferiore o uguale a 0,8 μm.
Accumulo di stress residuo: se si riscalda e si raffredda rapidamente una parte, si può produrre uno stress di trazione all'interno della parte, che può causarne la piegatura, la distorsione o la rottura. Un caso di studio di un progetto di componente strutturale aeronautico dimostra che le parti in lega di titanio stampate in 3D che non sono trattate possono piegarsi fino a 1,2 mm dopo la fresatura, un valore molto superiore alla tolleranza di progettazione.
Difetti nella microstruttura: i microdifetti come la porosità e la mancanza di fusione nei pezzi sono causati dal modo in cui funziona la formazione della metallurgia delle polveri. I dati della ricerca indicano che la porosità dei componenti in lega di alluminio prodotti con la tecnica SLM può raggiungere dallo 0,5% al ​​2%, diminuendo notevolmente la resistenza alla fatica.
La tecnologia di post-utilizza metodi fisici, chimici o termodinamici per risolvere i problemi elencati in un modo specifico:

Lavorazione meccanica: una macchina utensile CNC a cinque-assi può rendere le superfici cruciali sufficientemente lisce da essere inferiori a Ra 0,4 μ m.
Il trattamento termico è il processo che elimina lo stress residuo e migliora la struttura del grano. La ricottura e il trattamento in soluzione ne sono due esempi. Ad esempio, dopo il trattamento termico, la tensione residua di una parte del turbocompressore di una determinata vettura diminuisce del 75% e la stabilità delle dimensioni aumenta del 30%.
Pressatura isostatica a caldo (HIP): comprimere i pori in un ambiente con alta pressione e temperatura per ottenere una densità del materiale vicina al 100%. Nel settore aerospaziale, è stato riscontrato che il trattamento HIP raddoppia o triplica la durata a fatica delle parti.
2. Requisiti di qualità: passare da "utilizzabile" a "affidabile"
I criteri di qualità per i luoghi in cui verranno utilizzate le parti metalliche stampate in 3D sono direttamente legati alle esigenze di post-elaborazione di tali parti. La post-elaborazione è diventata un passaggio necessario nelle seguenti situazioni:

Campo di alta precisione: gli impianti medici devono soddisfare lo standard medico ISO 13485 e la ruvidità della superficie deve essere mantenuta a Ra 0,8 m per evitare che i batteri vi si attacchino. Per assicurarsi che non vi siano difetti interni, le pale dei motori degli aerei devono essere testate in modo da non danneggiarle, come ad esempio tramite la scansione TC. La porosità deve essere inferiore allo 0,1%.
Ambiente di carico dinamico: parti come ingranaggi, alberi e altre parti delle automobili devono essere in grado di gestire sollecitazioni variabili. La concentrazione delle sollecitazioni residue può ridurre la durata a fatica delle parti stampate in 3D non trattate di oltre il 50%.
Per essere resistenti alla corrosione-, i componenti di ingegneria navale devono superare il test in nebbia salina (come lo standard ASTM B117). Trattamenti superficiali come l'anodizzazione e la galvanica possono fornire una pellicola protettiva che rende le parti più di dieci volte più resistenti alla corrosione.
Ma non tutte le situazioni necessitano di molta post-elaborazione. Ad esempio,

Fase di verifica del prototipo: per accelerare il ciclo di sviluppo, la lavorazione meccanica di precisione potrebbe tralasciare elementi non-critici utilizzati per i test funzionali. Producendo rapidamente prototipi di guscio, un'azienda di elettronica di consumo ha ridotto il tempo necessario per apportare modifiche al progetto da 6 settimane a 2 settimane.
Parti che compongono l'interno: se gli elementi incastonati o le superfici che non si toccano non influenzano le prestazioni complessive, è possibile mantenere la superficie originale. La staffa del condotto del carburante su un determinato motore di aereo è stata migliorata in modo che solo il 40% dell'area debba essere nuovamente trattata.
Sistema per materiali speciali: grazie alla loro microstruttura omogenea, le parti stampate in 3D realizzate con alcune nuove leghe, comprese le leghe ad alta entropia, possono soddisfare immediatamente i criteri di prestazione. Gli studi hanno dimostrato che i componenti in lega CoCrFeNi con composizioni particolari possono soddisfare i criteri di resistenza all'usura senza richiedere il trattamento termico post-stampa.
3, Costo ed efficienza: il "confine economico" del post-elaborazione
Quando scegli la post-elaborazione, devi trovare un equilibrio tra prestazioni migliori e costi più elevati. Ad esempio, diamo un'occhiata a un progetto per una certa parte della struttura di un aereo:

Costo della stampa diretta: sono necessarie 120 ore per stampare le parti e l'attrezzatura e la polvere costano circa 80.000 yuan.
Il costo della post-elaborazione è di 20.000 yuan per il trattamento termico, 30.000 yuan per la lavorazione di precisione CNC e 10.000 yuan per i test, per un totale di 60.000 yuan.
Vantaggi completi: la post-elaborazione ha aumentato il tasso di qualificazione delle parti dal 65% al ​​92%, ha abbassato il costo unitario da 123.000 yuan a 109.000 yuan e ha soddisfatto i requisiti per la certificazione di aeronavigabilità.
Nel settore, il "confine economico" della post-elaborazione dipende dai seguenti fattori:

Complessità della parte: quanto più complicata è la struttura, tanto più difficile e costosa sarà la sua elaborazione. Ad esempio, per rimuovere il supporto da un disco di turbina con un canale di flusso interno, tagliare il filo con una scarica elettrica costa più di 50.000 yuan per pezzo.
Scala in lotti: pur realizzando oggetti in piccoli lotti, il costo della post-elaborazione è molto distribuito; pur realizzando prodotti su larga scala, l'ottimizzazione dei processi può ridurre il costo unitario. Una certa azienda automobilistica ha abbassato il prezzo di un articolo da 150 yuan a 80 yuan utilizzando i tipici metodi di post-elaborazione.
Ridondanza delle prestazioni: se il progetto consente alcune modifiche alle prestazioni, può ridurre il numero di passaggi necessari dopo l'elaborazione. Ad esempio, un determinato dispositivo di utensile riduce i tempi di consegna del 40% modificando l'intervallo di tolleranza ed eliminando la fase di trattamento termico.