Quali sono le difficoltà nel controllare gli errori dimensionali degli stampi per stampa 3D in metallo?

1. Discrepanza dimensionale dovuta al ritiro del materiale e allo stress termico
Durante il processo di stampa 3D, i materiali metallici subiscono un cambiamento di fase solida-liquida-solida. Il coefficiente di dilatazione termica e il tasso di restringimento sono gli elementi principali che influiscono sulla precisione delle dimensioni. Ad esempio, utilizzando materiali che vengono spesso utilizzati:

Acciaio inossidabile (come 316L): il tasso di ritiro da raffreddamento è di circa il 4%. Se la correzione inversa non viene eseguita durante la fase di modellazione, lo stampo lungo 100 mm potrebbe ridursi fino a 96 mm, ovvero al di fuori dell'intervallo di tolleranza di ± 0,1 mm.
Le leghe di titanio (come Ti-6Al-4V) si restringono di circa il 2%, ma lo stress termico si accumula più rapidamente, il che può facilmente causare deformazioni, specialmente negli edifici con pareti sottili o travi a sbalzo.
Difficoltà di superamento: per trovare il tasso di restringimento effettivo, è necessario utilizzare strumenti di reverse engineering come Geomagic Control X. È inoltre necessario utilizzare la formula "dimensione compensata=dimensione progetto ÷ (1- tasso di restringimento)" durante la fase di modellazione. Ad esempio, gli stampi in acciaio inossidabile devono essere più grandi del 4,2% (100 mm → 104,2 mm) e gli stampi in leghe di titanio devono essere più grandi del 2,04% (100 mm → 102,04 mm). La tecnologia di compensazione direzionale può anche gestire scenari difficili quando il tasso di contrazione dell’asse Z è superiore del 10% rispetto all’asse XY nelle procedure SLM.

2. Miglioramento dei parametri di processo: la tecnica per bilanciare densità energetica e spessore dello strato
Affinché la stampa 3D in metallo sia accurata, caratteristiche come la potenza del laser, la velocità di scansione e lo spessore dello strato devono essere controllate in modo coordinato. Qualsiasi variazione di un parametro potrebbe causare problemi dimensionali.

Densità di energia insufficiente: se la potenza del laser è troppo bassa o la velocità di scansione è troppo elevata, la polvere non si scioglie completamente, creando difetti di fusione incompleti. Ciò indebolisce il legame tra gli strati e rende meno stabile la dimensione dell'oggetto.
Elevata densità di energia: se la potenza del laser cambia di oltre il 5%, la piscina fusa schizza con forza e il metallo liquido si trasforma in particelle rotonde sulla polvere non fusa. Ciò rende la superficie irregolare e ne modifica le dimensioni.
Scelta dello spessore degli strati: uno spessore dello strato di 0,1 mm può rendere le cose più efficienti, ma i modelli sono chiari e la rugosità Ra è maggiore di 5 μ m. Uno spessore dello strato di 0,03-0,05 mm può rendere la rugosità Ra<3 μ m, but it will take more than three times longer to print.
Caso di studio: una compagnia aeronautica ha utilizzato la tecnologia SLM per stampare le pale di una turbina. Hanno utilizzato esperimenti ortogonali per trovare la migliore combinazione di parametri: una potenza laser di 300 W, una velocità di scansione di 1200 mm/s, uno spessore dello strato di 0,05 mm e un percorso di scansione incrociato (gli strati adiacenti sono stati scansionati lungo l'asse X/Y). La tolleranza dimensionale è stata effettivamente gestita entro ± 0,05 mm, in conformità agli standard aerospaziali.

3. Precisione delle apparecchiature: dalla calibrazione dell'hardware al controllo del movimento
La base fisica per il controllo dimensionale è la precisione delle apparecchiature. Per raggiungere questo obiettivo, tre aree devono lavorare insieme per migliorare: la struttura meccanica, il sistema di movimento e i sensori.

Livellatura della piattaforma: se la piattaforma di stampa non è a livello, gli strati potrebbero non avere lo stesso spessore, il che potrebbe far sì che le dimensioni siano "spesse da un lato e sottili dall'altro". Per assicurarsi che la differenza di lettura tra i cinque punti (quattro angoli più il centro) sulla piattaforma sia inferiore o uguale a 0,05 mm, è necessario un comparatore con una precisione di 0,01 mm.
C'è uno spazio tra la vite di comando e il binario di guida: se lo spazio è troppo grande, la testina di stampa si sposterà troppo. Se gli dici di spostarsi di 10 mm, in realtà si sposterà di 10,02 mm. Per trovare l'errore di spaziatura dei fori, è necessario stampare una lastra piana con molti piccoli fori (5 mm di diametro e 20 mm di distanza) e utilizzare uno strumento di misurazione delle coordinate. Quindi, puoi risolvere il problema utilizzando il "rapporto di trasmissione elettronico" del software del dispositivo.
Calibrazione del diametro dello spot laser: se si imposta il diametro dello spot in modo errato (ad esempio, se in realtà è 0,1 mm ma il programma dice che è 0,08 mm), si potrebbe avere una "sovracombustione" o una "sottocombustione". Stampa una linea retta lunga 10 mm, quindi misura la larghezza effettiva e confrontala con quanto indicato dal programma. È necessario correggere l'errore se è superiore a 0,02 mm.
4. Progettazione della struttura portante: trovare il giusto equilibrio tra robustezza e facilità di rimozione
La struttura portante non è semplicemente lo "scheletro" che impedisce al modello di cambiare forma, ma potrebbe anche essere causa di errori di taglia:

Troppo spazio tra i supporti: se lo spazio tra i supporti sulle parti sospese (come un cantilever da 5 mm) è superiore a 3 mm, l'articolo potrebbe abbassarsi durante la stampa, causando una variazione delle dimensioni.
Angolo di supporto ripido: se l'angolo tra il supporto e la parte è inferiore a 45 gradi, la rimozione del supporto può facilmente "tirare" e modificare la forma della parte, soprattutto se ha pareti sottili-(spessore<2mm).
Non abbastanza forte nella parte inferiore del supporto: se la parte inferiore del supporto non ha un diametro maggiore del 50% rispetto alla parte superiore, le parti possono facilmente inclinarsi a causa della tensione irregolare.
Nuovo modo per risolvere il problema:
Utilizzo di metodi di ottimizzazione della topologia per realizzare strutture di supporto leggere che siano resistenti ma richiedano meno materiale; richiedono strumenti sofisticati come lame da taglio ad ultrasuoni per rimuovere i supporti ed evitare distorsioni dovute ai colpi di martello. Migliorando la progettazione del supporto, un produttore di stampi per automobili è riuscito a migliorare la tolleranza dimensionale delle parti con pareti sottili-da ± 0,2 mm a ± 0,08 mm.

5. Controllo ambientale: gli effetti invisibili della temperatura e dell'umidità
Le persone in genere non pensano a come le condizioni ambientali influenzano la stabilità dimensionale della stampa 3D in metallo:

Cambiamenti di temperatura: cambiamenti nella temperatura dell'officina superiori a 5 gradi (ad esempio, 25 gradi durante il giorno e 18 gradi durante la notte) possono causare l'espansione e la contrazione dell'attrezzatura, con conseguenti variazioni dimensionali. È necessario installare l'aria condizionata che mantenga la temperatura a 22 ± 2 gradi.
Assorbimento dell'umidità della polvere: se la polvere metallica ha più dello 0,1% di umidità, la stampa creerà pori, il che renderà le dimensioni instabili. Mettere la polvere agglomerata in un setaccio da 80 mesh e farla essiccare in forno a 80 gradi per 2 ore.