Có phải tất cả các bộ phận in 3D bằng kim loại đều phải trải qua quá trình xử lý hậu kỳ không?

1. Nguyên tắc kỹ thuật: "Khiếm khuyết bẩm sinh" trong sản xuất bồi đắp và cách khắc phục trong quá trình-gia công sau
Ý tưởng cơ bản đằng sau việc in 3D kim loại là "xếp chồng từng lớp". Điều này có nghĩa là làm tan chảy bột kim loại bằng chùm tia laze hoặc tia điện tử để tạo thành hình dạng ba chiều. Mặc dù quy trình này có thể tạo ra các cấu trúc hình học phức tạp mà không tốn bất kỳ chi phí nào nhưng nó sẽ luôn có các vấn đề kỹ thuật sau:

Bề mặt quá nhám: Các dấu hiệu hóa rắn của bể nóng chảy giữa các lớp được in tạo ra "hiệu ứng bước", làm cho độ nhám bề mặt (giá trị Ra) cao hơn so với xử lý truyền thống. Ví dụ: các bộ phận in 3D bằng hợp kim titan có thể có độ nhám bề mặt Ra 10–20 μm, trong khi các cánh động cơ máy bay cần độ nhám bề mặt Ra Nhỏ hơn hoặc bằng 0,8 μm.
Tạo ứng suất dư: Nếu bạn làm nóng và làm nguội một bộ phận một cách nhanh chóng, nó có thể tạo ra ứng suất kéo bên trong bộ phận đó, có thể khiến bộ phận đó bị uốn cong, biến dạng hoặc nứt. Một nghiên cứu điển hình về dự án thành phần cấu trúc hàng không chứng minh rằng các bộ phận hợp kim titan in 3D không được xử lý có thể uốn cong tới 1,2 mm sau khi phay, cao hơn nhiều so với dung sai thiết kế.
Khiếm khuyết trong cấu trúc vi mô: Các sai sót vi mô như độ xốp và thiếu sự kết hợp trong các chi tiết là do cách thức hoạt động của quá trình tạo hình luyện kim bột. Dữ liệu nghiên cứu chỉ ra rằng độ xốp của các thành phần hợp kim nhôm được sản xuất bằng kỹ thuật SLM có thể đạt 0,5% đến 2%, làm giảm đáng kể tuổi thọ mỏi.
Công nghệ-xử lý hậu kỳ sử dụng các phương pháp vật lý, hóa học hoặc nhiệt động lực học để khắc phục các sự cố được liệt kê theo cách cụ thể:

Gia công cơ khí: Máy công cụ CNC năm{0}}trục có thể làm cho các bề mặt quan trọng đủ mịn để ở mức dưới Ra 0,4 μm.
Xử lý nhiệt là quá trình loại bỏ ứng suất dư và cải thiện cấu trúc hạt. Ủ và xử lý dung dịch là hai ví dụ về điều này. Ví dụ, sau khi xử lý nhiệt, ứng suất dư của bộ phận tăng áp trong một chiếc ô tô nhất định giảm 75% và độ ổn định của các kích thước tăng 30%.
Ép đẳng tĩnh nóng (HIP): nén lỗ chân lông ở môi trường có áp suất và nhiệt độ cao để đạt được mật độ vật liệu gần 100%. Trong ngành hàng không vũ trụ, việc xử lý HIP đã được chứng minh là giúp tăng gấp đôi hoặc gấp ba tuổi thọ mỏi của các bộ phận.
2. Yêu cầu về chất lượng: từ “sử dụng được” đến “đáng tin cậy”
Tiêu chí chất lượng cho những nơi sẽ sử dụng các bộ phận in 3D bằng kim loại gắn trực tiếp với nhu cầu xử lý hậu kỳ của các bộ phận đó. Quá trình-hậu kỳ đã trở thành một bước cần thiết trong các tình huống sau:

Lĩnh vực có độ chính xác cao: Cấy ghép y tế phải đạt tiêu chuẩn y tế ISO 13485, độ nhám bề mặt phải giữ ở mức Ra 0,8 m để vi khuẩn không bám vào. Để đảm bảo không có sai sót bên trong, các cánh động cơ máy bay phải được kiểm tra sao cho không làm hỏng chúng, chẳng hạn như chụp CT. Độ xốp phải nhỏ hơn 0,1%.
Môi trường tải động: Các bộ phận như bánh răng, trục và các bộ phận khác trong ô tô cần có khả năng xử lý ứng suất thay đổi. Sự tập trung ứng suất dư có thể làm giảm hơn 50% tuổi thọ mỏi của các bộ phận in 3D chưa được xử lý.
Để có khả năng chống ăn mòn-, các bộ phận kỹ thuật hàng hải phải vượt qua bài kiểm tra phun muối (như tiêu chuẩn ASTM B117). Các phương pháp xử lý bề mặt như anodizing và mạ điện có thể tạo ra một lớp màng bảo vệ giúp các bộ phận có khả năng chống ăn mòn cao hơn gấp mười lần.
Nhưng không phải mọi tình huống đều cần xử lý hậu kỳ nhiều. Ví dụ,

Giai đoạn xác minh nguyên mẫu: Để tăng tốc chu kỳ phát triển, việc gia công chính xác có thể loại bỏ các phần tử không-quan trọng được sử dụng để kiểm thử chức năng. Bằng cách nhanh chóng sản xuất các nguyên mẫu vỏ, một công ty điện tử tiêu dùng đã cắt giảm thời gian thực hiện các thay đổi về thiết kế từ 6 tuần xuống còn 2 tuần.
Các bộ phận tạo nên bên trong: Nếu các phần tử hoặc bề mặt nhúng không chạm vào nhau không ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể thì bề mặt ban đầu có thể được giữ lại. Giá đỡ đường ống nhiên liệu trên một động cơ máy bay nào đó đã được cải tiến để chỉ cần xử lý lại 40% diện tích.
Hệ thống dành cho vật liệu đặc biệt: Do cấu trúc vi mô đồng nhất, các bộ phận in 3D được làm bằng một số hợp kim mới, bao gồm cả hợp kim entropy cao, có thể đáp ứng ngay các tiêu chí hiệu suất. Các nghiên cứu đã chứng minh rằng các thành phần hợp kim CoCrFeNi với các thành phần cụ thể có thể đáp ứng tiêu chí chống mài mòn mà không cần phải xử lý nhiệt sau{2}}in.
3, Chi phí và hiệu quả: “Ranh giới kinh tế” của hậu xử lý
Khi chọn xử lý hậu kỳ, bạn phải tìm sự cân bằng giữa hiệu suất tốt hơn và chi phí cao hơn. Ví dụ: chúng ta hãy xem xét một dự án về một phần nhất định của cấu trúc máy bay:

Chi phí in trực tiếp: Mất 120 giờ để in các bộ phận, thiết bị và bột có giá khoảng 80000 nhân dân tệ.
Chi phí-xử lý sau là 20.000 nhân dân tệ cho xử lý nhiệt, 30.000 nhân dân tệ cho gia công chính xác CNC và 10.000 nhân dân tệ cho thử nghiệm, tổng cộng là 60.000 nhân dân tệ.
Lợi ích toàn diện:-xử lý hậu kỳ đã nâng tỷ lệ chất lượng của các bộ phận từ 65% lên 92%, giảm chi phí đơn vị từ 123.000 nhân dân tệ xuống còn 109.000 nhân dân tệ và đáp ứng các yêu cầu về chứng nhận đủ điều kiện bay.
Trong ngành, "ranh giới kinh tế" của quá trình-hậu kỳ phụ thuộc vào những điều sau:

Độ phức tạp của bộ phận: Cấu trúc càng phức tạp thì việc xử lý càng khó và tốn kém. Ví dụ, để loại bỏ phần đỡ khỏi đĩa tuabin có kênh dòng chảy bên trong, mỗi mảnh phải tốn hơn 50.000 nhân dân tệ để cắt qua dây có phóng điện.
Quy mô hàng loạt: khi thực hiện mọi thứ theo lô nhỏ, chi phí xử lý hậu kỳ sẽ được dàn trải rất nhiều; trong khi sản xuất mọi thứ trên quy mô lớn, tối ưu hóa quy trình có thể giảm chi phí trên mỗi đơn vị. Một công ty ô tô nào đó đã hạ giá một mặt hàng từ 150 nhân dân tệ xuống còn 80 nhân dân tệ bằng cách sử dụng các phương pháp xử lý hậu kỳ điển hình.
Dự phòng hiệu suất: Nếu thiết kế cho phép một số thay đổi về hiệu suất, nó có thể cắt giảm số bước cần thiết sau khi xử lý. Ví dụ: một thiết bị cố định dụng cụ nào đó đã cắt giảm 40% thời gian giao hàng bằng cách thay đổi phạm vi dung sai và loại bỏ bước xử lý nhiệt.