Esiste una differenza significativa nella precisione della stampa 3D tra i diversi materiali metallici?

1. Proprietà del materiale: le caratteristiche fisiche e chimiche che influenzano la possibilità di accuratezza
La precisione della stampa 3D con materiali metallici è dovuta principalmente all'interazione tra il comportamento termodinamico del materiale durante il processo di fusione e solidificazione e la gestione del processo. I cambiamenti nelle proprietà dei seguenti quattro materiali comuni influiscono direttamente sulla precisione delle loro stampe:
Lega di titanio (come TC4/Ti-6Al-4V)
Le leghe di titanio sono robuste, leggere e resistenti alla ruggine, tuttavia possono essere stampate con precisione solo per due motivi principali:
Elevato tasso di contrazione termica: TC4 ha un coefficiente di espansione lineare di 8,6 × 10 ⁻⁶/grado, il che significa che può facilmente causare stress residuo quando si raffredda rapidamente, il che può causare la deformazione e la modifica della forma delle parti. Ad esempio, se non si utilizza la pressatura isostatica a caldo (HIP) dopo aver stampato uno stampo per la pala di un motore di un aereo, le dimensioni possono variare fino a ± 0,3 mm. Dopo l'elaborazione HIP, le dimensioni possono variare fino a ± 0,05 mm.
Basso tasso di assorbimento del laser: la lega di titanio può riflettere fino al 60% della luce laser, quindi necessita di un'elevata densità di energia (tipicamente > 100 W/mm²) per fondersi in modo uniforme. Tuttavia, troppa energia potrebbe creare spruzzi e modificare la ruvidità della superficie. È possibile ridurre la ruvidità della superficie da Ra25 μm a Ra10 μm modificando la tecnica di scansione (ad esempio utilizzando la scansione a scacchiera).
L'acciaio inossidabile 316L è un esempio.
L'acciaio inossidabile ha un'ampia finestra di processo e non è molto sensibile alle crepe dovute al calore, il che lo rende migliore per la stampa:
Ampio pool di fusione stabile: 316L fonde a 1375 gradi e può essere realizzato un pool di fusione stabile con una potenza laser compresa tra 50 e 200 W e una precisione dimensionale di ± 0,05 mm. Un'azienda che produce dispositivi medici ha utilizzato la tecnologia SLM per stampare placche ossee con una tolleranza di apertura di ± 0,02 mm, che soddisfacevano i requisiti per l'assemblaggio di impianti ortopedici.
Uniformità nell'organizzazione: la natura austenitica del 316L rende meno probabile la sua separazione durante il processo di stampa. Se utilizzato con il trattamento con soluzione solida (isolamento a 1050 gradi per 1 ora e tempra in acqua), è possibile correggere i difetti di collegamento tra gli strati, aumentando la durata a fatica del 30%.
Lega di alluminio, tipo AlSi10Mg
Il problema più grande con la stampa della lega di alluminio è che ha un'elevata conduttività termica e tende a rompersi quando diventa calda.
Quando qualcosa si raffredda rapidamente si formano delle crepe: AlSi10Mg ha una conduttività termica di 150 W/(m · K) e il bagno di fusione può raffreddarsi a una velocità di 10 ⁶ gradi /s, il che rende semplice la formazione di fratture calde ai bordi dei grani. L'aggiunta dello 0,5% di elemento Sc può rendere la dimensione del grano inferiore a 1 μm, riducendo il tasso di criccatura dal 15% allo 0,5%.
Effetto della pellicola di ossido superficiale: È probabile che la superficie dell'alluminio generi una spessa pellicola di ossido (Al ₂ O3), che impedisce alla polvere di fluire bene e significa che la stampa deve essere eseguita con protezione da gas inerte sotto vuoto. Dopo aver migliorato il sistema di circolazione del gas, la rugosità superficiale della staffa del pacco batteria di un nuovo veicolo energetico è passata da Ra50 μm a Ra15 μm.
Leghe ad alta-temperatura a base di nichel-come Inconel 718
La sfida delle leghe ad alta-temperatura è il controllo della microstruttura a temperature molto elevate:
Tendenza alla crescita dei cristalli colonnari: Durante la stampa, l'Inconel 718 tende a generare cristalli colonnari che si sviluppano nella direzione della costruzione. Ciò rende il materiale anisotropo. La modifica della velocità di scansione (600–1000 mm/s) e dello spessore dello strato (30–50 μm) può far passare la dimensione della grana da 500 μm a 100 μm, il che fa aumentare la resistenza alla trazione del 15%.
Sensibilità alle microfessurazioni: È probabile che la fase (Ni ∝ (Al, Ti)) formi depositi irregolari quando si raffredda rapidamente, il che può causare microfessure. Più del 90% delle microfessure può essere rimosso utilizzando un trattamento termico graduale (isolamento a 720 gradi per 8 ore, seguito da raffreddamento ad aria e isolamento a 620 gradi per 8 ore).
2. Adattabilità del processo: scelta di un percorso per un'implementazione precisa
La precisione della stampa 3D in metallo dipende sia dal materiale che dalla corrispondenza del tipo di processo. I seguenti quattro processi comuni hanno livelli di precisione piuttosto diversi:
Vantaggio in termini di precisione della fusione selettiva laser (SLM): il diametro del punto laser di SLM può essere fino a 50 μm, lo spessore dello strato può essere compreso tra 20 e 60 μm, la precisione dimensionale può arrivare fino a ± 0,05 mm e la rugosità superficiale Ra può essere fino a 10 μm. Una società aeronautica ha utilizzato la tecnologia SLM per stampare le pale delle turbine, assicurandosi che la tolleranza del profilo delle pale fosse entro ± 0,03 mm, che è ciò di cui hanno bisogno i motori aeronautici per poter essere assemblati.
Restrizioni sui materiali: per fare in modo che i materiali con elevata riflettività (come il rame) assorbano di più, è necessario utilizzare un laser verde (532 nm) o un laser blu (450 nm). Tuttavia, il costo dell'attrezzatura aumenta dal 30% al 50%.
Caratteristiche di precisione della fusione a fascio di elettroni (EBM): l'EBM funziona nel vuoto con molta densità di energia nel fascio di elettroni (fino a 10 ⁴ W/mm²), il che lo rende adatto alla stampa di materiali con punti di fusione elevati, comprese le leghe di titanio. Un certo produttore di impianti ortopedici ha utilizzato l’EBM per stampare le coppe dell’articolazione dell’anca. La rugosità superficiale era Ra inferiore o uguale a 8 μm, non era presente alcuno strato di ossido e le coppe erano più biocompatibili rispetto a quelle realizzate con metodi tradizionali.
Controllo dello stress termico: l'EBM può riscaldare le parti fino a 700 gradi Celsius, riducendo così lo stress residuo e la deformazione dell'80%.
La Directed Energy Deposition (DED) ha un diametro dell'ugello da 0,8 a 2 mm, uno spessore dello strato da 0,5 a 2 mm, una precisione dimensionale di ± 0,5 mm e una rugosità superficiale da Ra20 a 100 μ m. Una certa azienda produttrice di motori aeronautici ha utilizzato il DED per riparare il disco di una turbina. Lo strato di riparazione e il substrato sono uniti insieme con una resistenza metallurgica di 400 MPa, che soddisfa i requisiti di servizio.
Vantaggio dell'efficienza: il DED ha una velocità di sedimentazione di 200 cm³/h, ovvero più di 10 volte quella dell'SLM. Questo lo rende adatto per fissare o preformare pezzi di grandi dimensioni.
Adesivo spray (BJ)
Potenziale di precisione: BJ ha una precisione dimensionale di ± 0,1 mm e una rugosità superficiale di Ra20-60 μm. Tuttavia, dopo il trattamento deve essere sgrassato (400-600 gradi) e sinterizzato (1200-1300 gradi), il che ne provoca un restringimento dal 15% al ​​20%. Una certa azienda automobilistica utilizza inserti per stampi stampati BJ e, una volta terminati, le dimensioni rimangono stabili entro ± 0,05 mm, che è ciò che è necessario per la produzione di massa.
Vantaggio in termini di costi: il pezzo singolo di BJ costa dal 60% al 70% in meno rispetto a SLM, il che lo rende adatto a situazioni in cui sono necessarie precisione media e grande scala.
3. Esempio tipico: verifica pratica delle discrepanze di precisione
Pale in lega di titanio per motori aeronautici Stampa tramite SLM
Una compagnia aeronautica ha utilizzato la tecnologia SLM per realizzare pale in lega di titanio TC4. Migliorando le tecniche di scansione (come la scansione a spirale) e le strutture di supporto (come il supporto a traliccio), la tolleranza del profilo della lama è passata da ± 0,1 mm a ± 0,03 mm e la rugosità superficiale è passata da Ra25 μm a Ra8 μm. Ciò ha reso il motore più efficiente del 2%.
L'acciaio inossidabile 316L viene utilizzato per l'impianto di dispositivi medici. Stampa SLM
Un'azienda ortopedica ha utilizzato SLM per stampare placche ossee in acciaio inossidabile 316L. La tolleranza dell'apertura è stata fissata a ± 0,02 mm e, dopo la lucidatura elettrolitica, la rugosità superficiale Ra < 0,8 μ m ha soddisfatto lo standard medico ISO 13485, riducendo del 30% il tempo necessario all'integrazione dell'osso.
Pacco batterie per un veicolo a nuova energia: AlSi10Mg Stampato con SLM
Un'azienda di veicoli a nuova energia utilizza staffe per batterie stampate SLM per modificare la dimensione dei grani aggiungendo lo 0,5% di elemento Sc, che riduce il tasso di frattura a caldo dal 15% allo 0,5%. La resistenza della staffa aumenta del 25% e il suo peso diminuisce del 30% quando viene trattata termicamente-con T6 (soluzione solida a 530 gradi + 170 invecchiamento di gradi).