Quali fattori determineranno la soluzione di post-elaborazione per la stampa 3D in metallo?

1. Proprietà dei materiali: limiti di base per la post-elaborazione
La composizione, la microstruttura e le proprietà termofisiche dei materiali di stampa 3D metallici determinano direttamente la traiettoria tecnica e i parametri di processo della post-elaborazione.
Le proprietà della composizione del materiale e le transizioni di fase
i metalli variabili hanno temperature di transizione di fase, coefficienti di dilatazione termica e sensibilità all'ossidazione molto variabili. Ad esempio, la lega di titanio (Ti6Al4V) tende a reagire con l'ossigeno per creare uno strato di ossido fragile a temperature superiori a 600 gradi, quindi il trattamento termico deve essere eseguito in un ambiente sotto vuoto o con gas inerte. Le leghe ad alta temperatura-a base di nichel-(come Inconel 718) hanno molti elementi di lega e necessitano di un controllo graduale della precipitazione del trattamento di fase attraverso la soluzione (isolamento a 980-1020 gradi per 1 ora) e trattamento di invecchiamento (isolamento a 720 gradi per 8 ore) per trovare un equilibrio tra resistenza e tenacità
Densità e proprietà della polvere
La densità iniziale degli articoli stampati è influenzata dalla dimensione delle particelle, dalla loro fluidità e dalla purezza della polvere. Ad esempio, le parti in lega di alluminio stampate con polvere sferica con una dimensione delle particelle di 15–45 μm possono avere una porosità iniziale compresa tra il 3% e il 5%. Per renderli più densi del 99,9%, devono essere pressati isostatici a caldo (HIP) a 1200 gradi e 100 MPa. Le parti stampate con polvere su scala nanometrica potrebbero dover essere ricotte solo per eliminare lo stress interno perché si sinterizzano molto rapidamente.
Controllo che non è lo stesso in tutte le direzioni
Il modo in cui la stampa 3D in metallo impila gli strati uno sopra l’altro conferisce proprietà meccaniche anisotrope. Ad esempio, la resistenza alla trazione dell'acciaio inossidabile 316L è inferiore dal 10% al 15% lungo la direzione di stampa (asse Z-) rispetto a quella lungo la direzione verticale (asse XY). Il trattamento termico, come il mantenimento a 750 gradi per 2 ore e poi il raffreddamento con acqua, può aiutare i grani a ricristallizzarsi, ridurre l'anisotropia entro il 5% e rendere coerenti le parti strutturali.
2. Parte dei requisiti funzionali: post-elaborazione con un obiettivo in mente
Il piano di post-elaborazione dovrebbe essere molto focalizzato su come i pezzi verranno utilizzati alla fine e migliorare le metriche delle prestazioni in base a ciò.
Migliorare le prestazioni meccaniche
Necessità di elevata resistenza: il disco della turbina del motore aerospaziale deve resistere a temperature estreme di 1000 gradi e sollecitazioni di 1000 MPa. La resistenza alla trazione deve essere elevata fino a superare i 1200 MPa mediante il metodo composito HIP+trattamento termico (dopo HIP 1220 gradi/150 MPa, soluzione solida 1080 gradi+720 invecchiamento gradi).
Elevati standard di robustezza: gli impianti ortopedici, comprese le protesi dell'anca, devono essere resistenti e in grado di resistere all'usura. La ricottura (mantenimento a 700 gradi per 4 ore e poi raffreddamento lento) può aumentare il tasso di allungamento dal 15% al ​​25% e ridurre il rischio di frattura fragile.
Migliore resistenza alla corrosione
Le parti in acciaio inossidabile 316L utilizzate nell'ingegneria marittima devono essere in grado di resistere a lungo alla corrosione da nebbia salina. Il tempo di resistenza alla nebbia salina può essere aumentato da 240 ore a 2000 ore utilizzando sia la lucidatura elettrochimica (che rimuove lo strato di ossido superficiale) che l'anodizzazione (che forma un rivestimento di ossido spesso 10 μ m). Ciò soddisfa i requisiti della norma ISO 9227.
Migliorare la qualità della superficie
Il settore dell'elettronica di consumo ha regole rigide sull'aspetto delle parti. Per rendere la superficie meno ruvida, è necessario lucidarla in più fasi (molatura grossolana → levigatura fine → lucidatura a specchio) fino a raggiungere Ra0,2 μm o inferiore. Contemporaneamente viene applicato un trattamento di sabbiatura (particelle di sabbia di allumina da 200 mesh) per creare una finitura opaca uniforme che soddisfa gli standard di progettazione.
3. Restrizioni sul processo di fabbricazione: il limite di ciò che può essere fatto dopo la lavorazione
Le specifiche del processo di stampa e le capacità dell'attrezzatura limitano immediatamente le opzioni per le tecnologie di post-elaborazione.
Controllo dello stress residuo
La tecnica di fusione laser a letto di polvere (LPBF) lascia dietro di sé tensioni residue che possono raggiungere il 70% della resistenza allo snervamento del materiale perché si raffredda molto rapidamente. La ricottura di distensione (isolamento a 500-600 gradi per 2 ore) deve essere eseguita subito dopo il completamento della stampa. In caso contrario, le parti potrebbero deformarsi o rompersi durante il taglio o la lavorazione. La tecnologia di fusione a fascio di elettroni (EBM) presenta uno stress residuo inferiore poiché riscalda il substrato a oltre 600 gradi prima di fonderlo. Ciò semplifica il processo di post-elaborazione.
Togliendo la struttura di sostegno
La progettazione del supporto per parti strutturali complesse, come le camere di combustione dei motori aeronautici, deve trovare un compromesso tra stabilità durante la stampa e facilità d'uso dopo la stampa. L'uso di materiali di supporto-solubili in acqua può facilitarne la rimozione. I supporti metallici, invece, necessitano di essere trattati con taglio a filo (con una precisione di ± 0,05 mm) o attacco chimico (per microstrutture) per evitare danni alla superficie causati dal taglio meccanico.
Garanzia di precisione dimensionale
Lo spessore dello strato di stampa (tipicamente 20–100 μ m) e l'approccio di scansione (come la scansione a scacchiera) influiscono entrambi sulla precisione delle parti. Per le parti che necessitano di una tolleranza di ± 0,02 mm sulla superficie di accoppiamento, dopo il trattamento termico è necessaria la lavorazione del collegamento a cinque assi (come fresatura e rettifica). Tuttavia, le parti strutturali semplici possono ottenere una precisione superficiale Ra3,2 μm con sabbiatura e molatura.
4. Bilancio costi-benefici: fattori economici a cui pensare dopo l'elaborazione
La soluzione di post-elaborazione deve trovare il miglior equilibrio tra riduzione dei costi e miglioramento delle prestazioni.
Ottimizzazione dei costi unitari
Quando si realizzano molti impianti medici, il trattamento HIP può farli durare più a lungo, ma il costo per unità aumenta dal 30% al 50%. Modificando le impostazioni di stampa (ad esempio aumentando la densità di potenza del laser) per ridurre la porosità iniziale, le esigenze di elaborazione HIP possono essere dimezzate, con un notevole risparmio di denaro.
Ritorno sull'investimento in attrezzature
Le aziende aerospaziali devono spendere milioni di dollari in apparecchiature HIP per la lavorazione di parti in lega ad alta-temperatura. Per evitare di avere cespiti inattivi, possono collaborare con fornitori di servizi di post{2}}esperti e addebitare per pezzo (costo di elaborazione per pezzo) 500-2000.
Migliorare l'efficienza del ciclo
Sono necessari dai 7 ai 10 giorni per realizzare stampi per automobili utilizzando la tecnica "stampa+ricottura+lavorazione di precisione". Ma ottimizzando la procedura di trattamento termico (ad esempio, aumentando rapidamente la temperatura a 750 gradi e mantenendola lì per un'ora), il ciclo può essere ridotto a 5 giorni, il che rende la consegna più rapida.