La post-elaborazione influirà sulla precisione dimensionale delle parti metalliche stampate in 3D?

一, Il collegamento tra i metodi di post-elaborazione e l'accuratezza delle dimensioni
Esistono tre tipi principali di post-elaborazione per la stampa 3D in metallo: lavorazione meccanica, trattamento termico e trattamento superficiale. Il modo in cui le diverse tecniche influiscono sulla precisione dimensionale è molto diverso.

1. Elaborazione meccanica: un'arma a doppio-taglio per rendere le cose più precise
Il modo più semplice per correggere le discrepanze dimensionali è mediante lavorazioni meccaniche, come la fresatura CNC, la rettifica e l'elettroerosione. Ad esempio, dopo aver stampato uno specifico disco di turbina di un motore aeronautico, la fresatura del collegamento a cinque assi ha ridotto l'errore di rotondità da 0,1 mm a 0,02 mm e ha migliorato la rugosità superficiale Ra da 6,3 μm a 1,6 μm. Tuttavia, per migliorare la precisione della lavorazione, è necessario essere in grado di controllare con molta attenzione le prestazioni dell'attrezzatura e i parametri di processo. Ad esempio, se la profondità di taglio è eccessiva o la velocità di avanzamento è troppo elevata, le parti potrebbero deformarsi termicamente. Se l'usura dell'utensile non viene sostituita in tempo, potrebbe causare errori di lavorazione. Ad esempio, un'azienda non ha cambiato la mola in tempo, il che ha causato la comparsa di increspature sulla superficie di un lotto di parti in lega di titanio. Il tasso di scarto alla fine è stato del 15%.

2. Trattamento termico: la battaglia tra rilascio di stress e cambiamenti di dimensione
Il trattamento termico, che comprende la ricottura, la tempra e il trattamento della solubilizzazione, modifica la microstruttura del materiale per eliminare lo stress residuo. Tuttavia, può anche influenzare la dimensione del materiale. Ad esempio, dopo la soluzione solida e il trattamento di invecchiamento, la durata media della frattura della lega ad alta temperatura IN718-a 650 gradi è arrivata a 173 ore. Tuttavia, il tasso di ritiro dimensionale verticale è stato dello 0,3% e il tasso di ritiro dimensionale orizzontale è stato dello 0,15%. Questo ritiro irregolare deve essere regolato mediante compensazione progettuale (ad esempio lasciando un margine di lavorazione di 0,5 mm) o ottimizzazione del processo (come la tempra graduale). Un’azienda che produce impianti medici ha migliorato i parametri del processo di trattamento termico in modo che le dimensioni della protesi in lega di titanio porosa stampata in 3D varino solo di ± 0,05 mm, che rientra negli standard di precisione dell’impianto clinico.

3. Trattamento superficiale: trovare un equilibrio tra il cambiamento delle dimensioni del micro e del macro.
L'obiettivo del trattamento superficiale (come sabbiatura, lucidatura o lucidatura chimica) è migliorare la superficie, ma può anche modificarne le dimensioni di pochi micrometri. Ad esempio, un'azienda che produce componenti per automobili utilizza la lucidatura chimica per stampare in 3D manicotti raffreddati ad acqua in lega di alluminio-. Ciò rende la superficie meno ruvida, passando da 12 μm a 0,8 μm, ma riduce anche il diametro della cavità interna di 0,02 mm poiché il materiale si dissolve. L'azienda utilizza un processo combinato di "lucidatura meccanica+lucidatura chimica" per bilanciare la qualità della superficie e l'accuratezza dimensionale. Innanzitutto, la lucidatura meccanica rimuove i difetti di grandi dimensioni, quindi la lucidatura chimica modifica la superficie a livello di nanoscala. Ciò mantiene la tolleranza dimensionale entro ± 0,01 mm.

2, Controllo dei parametri di processo: la parte più importante per garantire la precisione
Per assicurarti che le dimensioni siano corrette, devi essere in grado di controllare con precisione i parametri della procedura di post-elaborazione. La lavorazione elettrochimica (ECM) può raggiungere una precisione inferiore al-micron dissolvendo i materiali strato dopo strato attraverso processi elettrochimici. Tuttavia, parametri come la distanza tra gli elettrodi, la concentrazione dell'elettrolita e la frequenza degli impulsi devono essere strettamente abbinati:

Distanza tra gli elettrodi: una distanza troppo piccola può facilmente causare un cortocircuito, mentre una distanza troppo grande può rendere la lavorazione meno efficiente. Tenendo d'occhio la distanza tra gli elettrodi in tempo reale (regolata a 10–50 μm), una certa azienda ha aumentato la precisione di lavorazione delle pale di turbine in lega a base di nichel stampate in 3D- a ± 0,005 mm.
Concentrazione di elettroliti: se la concentrazione è troppo elevata, può accelerare la dissoluzione dei materiali, con conseguenti variazioni di dimensione. Se la concentrazione è troppo bassa, può creare una lavorazione non uniforme. Un gruppo di ricerca ha migliorato la formula dell’elettrolita (mantenendo la concentrazione di NaCl tra il 15% e il 20%) in modo che la ruvidità superficiale dei componenti in lega di titanio stampati in 3D passasse da 3,2 μm a 0,4 μm, mantenendo le variazioni di dimensione entro ± 0,01 mm.
Frequenza degli impulsi: gli impulsi ad alta-frequenza possono ridurre gli effetti del calore di elaborazione, ma possono anche generare vibrazioni. Gli impulsi a bassa-frequenza, invece, rendono l'elaborazione meno efficiente. Una certa azienda utilizza una frequenza di impulsi di 10 kHz per elaborare articoli in acciaio inossidabile stampati in 3D. Ciò garantisce che la produzione sia efficiente e che le dimensioni siano precise entro ± 0,008 mm.
3. Progettare una strategia di compensazione: un accordo "lungimirante-guardante" per un controllo preciso
Durante la fase di progettazione, è necessario accantonare una certa somma di denaro per compensare l'effetto della post-elaborazione sulle dimensioni. Ad esempio, il processo di progettazione per una determinata parte di un aeroplano è il seguente:

Progettazione iniziale: utilizzare il modello CAD per individuare la forma geometrica della parte e identificare le tolleranze dimensionali importanti (ad esempio, ± 0,05 mm).
Simulazione del processo: utilizza l'analisi degli elementi finiti (FEA) per modellare la distribuzione delle sollecitazioni e il ritiro dimensionale che si verificano durante il trattamento termico. Dovresti aspettarti un tasso di ritiro verticale dello 0,3% e un tasso di ritiro orizzontale dello 0,15%.
Compensazione di progettazione: aumentare il sovrametallo di lavorazione di 0,5 mm per dimensioni importanti e la tolleranza del contorno di 0,05 mm per i punti angolari (da 0,02 mm a 0,05 mm).
Verifica dopo la lavorazione: dopo la lavorazione meccanica, la differenza tra la dimensione effettiva del pezzo e la dimensione di progetto viene mantenuta entro ± 0,01 mm e la percentuale di superamento arriva fino al 98%.
Inoltre, quando si tratta della costruzione della cavità interna, è necessario pensare al tasso di rimozione del materiale e all’entità della compensazione. Il diametro interno di una giacca raffreddata ad acqua stampata in 3D-, ad esempio, dovrebbe essere di 20 mm, con una tolleranza di lavorazione di 0,1 mm. Dopo essere stato sabbiato (con una velocità di rimozione del materiale di 0,02 mm/ora) e lucidato meccanicamente (con una velocità di rimozione del materiale di 0,05 mm/ora), il diametro interno finale si stabilizza a 20,03 mm, che è ciò di cui ha bisogno la fluidodinamica.

4, Pratica industriale: un caso modello di controllo di precisione
Un'azienda del settore aerospaziale produce ugelli per motori a razzo utilizzando la tecnica "stampa SLM+pressatura isostatica a caldo (HIP)+lavorazione CNC". Il trattamento HIP elimina i pori interni (riducendo la porosità dal 5% allo 0,1%), quindi la lavorazione CNC controlla la precisione del diametro della gola dell'ugello entro ± 0,005 mm per soddisfare le esigenze di tenuta in impostazioni di alta-pressione e alta-temperatura.
In campo medico, un'azienda ortopedica ha creato una protesi per l'articolazione dell'anca in lega di titanio stampata in 3D-. La rugosità superficiale è stata ridotta a 0,2 μm e la tensione interna è stata rimossa utilizzando il metodo di "trattamento di ricottura + lucidatura chimica". La variazione dimensionale è stata mantenuta entro ± 0,02 mm, riducendo notevolmente il pericolo di adesione batterica e di problemi dopo l'intervento chirurgico.
Nel settore automobilistico, un'azienda produce piastre di raffreddamento per batterie di veicoli a nuova energia utilizzando la tecnologia "stampa 3D di manicotti di raffreddamento ad acqua + lavorazione elettrochimica". La lavorazione elettrochimica riduce la rugosità superficiale della cavità interna da 6,3 μm a 0,4 μm mantenendo la tolleranza dimensionale a ± 0,01 mm. Ciò rende il raffreddamento più efficiente del 15%.