Quali sono le difficoltà comuni nella post-elaborazione della stampa 3D in metallo?

1. Controllo della rugosità superficiale: dal “grezzo” al “prodotto finito”
Poiché la stampa 3D in metallo costruisce le cose a strati, la superficie ha una struttura a gradini con una ruvidità (valore Ra) che di solito è compresa tra 6 e 12 μm. Questa è sostanzialmente più ruvida rispetto alla lavorazione tradizionale, che ha un valore di rugosità compreso tra 0,8 e 1,6 μm. Ad esempio, la rugosità della parete interna del canale di raffreddamento delle pale dei motori aeronautici deve essere mantenuta al di sotto di 3 μm, altrimenti ridurrà notevolmente l'efficacia del trasferimento di calore.
Problemi con la tecnologia:
Struttura di supporto residua: la struttura di supporto applicata durante la stampa per evitare che gli oggetti cambino forma può lasciare buchi o protuberanze sulla superficie dopo la rimozione.
Adesione della polvere: quando le particelle di polvere non si sciolgono completamente, aderiscono alla superficie, fenomeno chiamato "sferoidizzazione".
Tracce di unione tra gli strati: si possono formare piccole protuberanze nel punto in cui i percorsi di scansione laser si incrociano.
Risposta:
Lucidatura chimica: l'utilizzo di soluzioni acide o alcaline per dissolvere selettivamente lo strato superficiale può renderlo più liscio di 1 μm, ma è necessario prestare molta attenzione a quanto tempo lo si lascia nella soluzione per evitare troppa corrosione.
Trattamento di sabbiatura: viene creata una superficie opaca uniforme colpendo la superficie con un flusso di sabbia ad alta-velocità. Ciò è utile per progetti complessi di cavità interne, ma può anche creare nuovi difetti superficiali.
Lucidatura elettrolitica: questo metodo utilizza principi elettrochimici per livellare la superficie a livello microscopico. Può fornire un effetto specchio (Ra<0.1 μ m), but the equipment is expensive.
2. Correggere i difetti interni: la chiave per rendere le cose più dense e migliori.
L’interno delle parti metalliche stampate in 3D ha solitamente una porosità dallo 0,1% al 5%. Questi piccoli difetti possono causare la formazione di crepe, che riducono notevolmente la durata a fatica delle parti. Ad esempio, gli impianti in lega di titanio con porosità superiore allo 0,5% potrebbero non integrarsi con l’osso.
Problemi con la tecnologia:
Pori: se l'intensità del laser è troppo bassa o la polvere contiene troppo ossigeno, il bagno di fusione può rompersi.
Fusione insufficiente: legame debole tra gli strati, che porta alla microstratificazione.
Crepa: una crepa calda o fredda che si verifica quando si accumula uno stress residuo.
Risposta:
Pressatura isostatica a caldo (HIP): il materiale viene sottoposto a molta pressione (100–200 MPa) e calore (900–1200 gradi). Ciò gli fa cambiare forma, chiudere i pori interni e aumentare la sua densità oltre il 99,9%. Ad esempio, il trattamento HIP ha triplicato la durata a fatica degli iniettori di carburante nei motori LEAP prodotti da GE Aviation.
Infiltrazione locale: il metodo di impregnazione sotto vuoto riempie aree importanti di materiali compositi a base metallica-, rendendolo adatto per il fissaggio di strutture con pareti sottili.
Rifusione laser: eseguire una seconda scansione su aree con difetti superficiali o interni può aiutare a migliorare la grana, ma potrebbe anche aggiungere nuovi stress termici.
3. Gestione delle tensioni residue: ingegneria dei sistemi per il controllo della deformazione
Quando il metallo viene stampato in 3D, lo stress termico derivante dal riscaldamento e dal raffreddamento rapidi può avvicinarsi al 50%-80% della resistenza allo snervamento del materiale. Ciò può causare la distorsione, la rottura o la modifica della forma delle parti. Nelle costruzioni con telai di grandi dimensioni le tensioni residue possono indurre una deformazione di diversi millimetri, che è notevolmente superiore a quanto accettabile.
Problemi con la tecnologia:
Distribuzione non uniforme dello stress: forme geometriche complesse causano grandi cambiamenti nei gradienti di temperatura.
Effetto vincolo del substrato: lo stress si accumula nel punto in cui il componente incontra il substrato, il che può facilmente causare la delaminazione dello strato intermedio.
La sfida della stampa multi-materiale: il fatto che vari materiali si espandano a velocità diverse fa sì che lo stress si accumuli più rapidamente.
Risposta:
Prima della stampa, riscaldare il supporto di stampa a una temperatura compresa tra 200 e 500 gradi Celsius per ridurre la differenza di temperatura. Ad esempio, le macchine della serie Precision di Yunyao Shenwei hanno una funzione di preriscaldamento del substrato a 500 gradi che riduce la possibilità di crepe nelle parti stampate in lega di titanio.
Ottimizzazione della strategia di scansione: utilizzare la "scansione a isola" o la "scansione a scacchiera" per distribuire l'apporto di calore ed evitare che si surriscaldi troppo in un unico punto.
Ricottura di distensione: al termine della stampa, il trattamento di isolamento viene eseguito a 600-700 gradi per eliminare oltre l'80% dello stress ancora presente.
4. Garanzia di accuratezza dimensionale: un passo avanti dallo “stampaggio approssimativo” allo “stampaggio netto”
La stampa 3D in metallo ha normalmente una precisione entro ± 0,1 mm, ma per i pezzi che devono essere molto precisi, come gli ingranaggi di un orologio, sono necessarie ulteriori lavorazioni. Ma è molto difficile lavorare con strutture complesse di cavità interne, come strutture reticolari, e la fresatura standard o la lavorazione con elettroerosione (EDM) potrebbero danneggiare la struttura interna.
Problemi con la tecnologia:
Deformazione da ritiro: quando il metallo si raffredda, si restringe di volume, provocando la modifica delle dimensioni.
Interferenza da strutture di supporto: il supporto residuo rende più difficile trovare il piano di riferimento della lavorazione.
Le strutture a pareti-sottili non sono sufficientemente rigide, pertanto le vibrazioni di lavorazione possono facilmente rompere gli strumenti.
Risposta:
Compensazione di progettazione: impostare in anticipo l'entità del ritiro nel modello CAD (in genere tra lo 0,2% e lo 0,5%) e verificare la correzione stampandola più volte.
Lavorazione con collegamento a cinque-assi: l'attrezzatura LASERTEC 65 3D di DMG MORI è un esempio di macchina utensile CNC multi-assi in grado di eseguire sia la stampa che la fresatura contemporaneamente.
La lavorazione elettrochimica (ECM) è un metodo per rimuovere materiali senza richiedere forza di taglio meccanica. È ideale per la lavorazione di precisione di strutture-a pareti sottili.
5. Compatibilità con più materiali: il problema dei materiali funzionalmente classificati
La stampa 3D in metallo si sta lentamente muovendo verso la direzione del composito multi-materiale per soddisfare le esigenze di leggerezza, resistenza alla corrosione e conduttività. Ma il fatto che materiali diversi abbiano punti di fusione e coefficienti di dilatazione termica diversi significa che la forza del legame tra loro non è abbastanza forte, il che può portare rapidamente alla delaminazione o alla rottura.
Problemi con la tecnologia:
Contaminazione incrociata-della polvere: la polvere residua negli scomparti per la stampa con più materiali compromette la purezza dei materiali.
Conflitto tra i parametri di processo: materiali diversi devono essere abbinati a potenza laser, velocità di scansione e altre impostazioni variabili.
Le prestazioni dell'interfaccia peggiorano: fasi fragili si verificano rapidamente dove si incontrano materiali diversi.
Risposta:
Sistema modulare di alimentazione della polvere: ad esempio, l'attrezzatura della serie RESEARCH di Yunyao Shenwei dispone di serbatoi di alimentazione della polvere indipendenti che consentono di scambiare tra diversi strati di materiale.
Preelaborazione dell'interfaccia: utilizzare la pulizia laser o la spruzzatura al plasma per far aderire meglio l'interfaccia.
Ottimizzazione della simulazione numerica: utilizza il software ANSYS o COMSOL per modellare il modo in cui le proprietà termiche e meccaniche dei diversi materiali interagiscono durante il processo di stampa. Questo ti aiuterà a stabilire i parametri giusti.
6. Trovare il giusto equilibrio tra costi ed efficienza: il problema più grande con la produzione su larga-scala
La stampa 3D in metallo costa dal 30% al 70% del costo totale di un prodotto e il tempo di lavorazione è lungo (in genere 2-5 volte il tempo di stampa), il che ne rende difficile l’utilizzo nella produzione di massa. Ad esempio, la tradizionale procedura di fusione del blocco cilindri del motore di un'auto costa circa 500 yuan al pezzo. Il costo della stampa 3D e della post-elaborazione, invece, potrebbe superare i 3.000 yuan.
Problemi con la tecnologia:
Costi elevati delle attrezzature: i centri di lavoro-di fascia alta a cinque-assi costano più di 5 milioni di yuan, mentre le apparecchiature HIP possono costare fino a 20 milioni di yuan.
Lunghezza della catena di processo: è necessario eseguire una serie di passaggi in ordine, come il riscaldamento, il taglio del filo, la rimozione del supporto, la lucidatura e la lucidatura di nuovo.
Basso livello di automazione: il lavoro manuale è ancora necessario per la post-elaborazione di parti complesse, il che lo rende meno efficiente.
Risposta:
Integrazione intelligente delle linee di produzione: utilizza i carrelli AGV per collegare stampanti 3D, forni per trattamento termico e centri di lavoro in modo che l'intero processo venga eseguito automaticamente. Ad esempio, l'apparecchiatura BLT-S800 di Platinum Technology offre funzionalità-di rilevamento online integrate e di elaborazione adattiva.
Produzione additiva: per ridurre il numero di fasi successive alla stampa, sincronizzare la lavorazione parziale durante il processo di stampa. Le macchine INTEGREX i-400AM di Mazak possono passare dal rivestimento laser alla fresatura.
Pianificazione digitale del processo: utilizzo del software Siemens NX o Magics per trovare il percorso di lavorazione migliore e ridurre i tempi morti.