Chi phí xử lý nhiệt cho in 3D kim loại có cao không?

一, Vai trò chính của xử lý nhiệt trong kim loại in 3D
In 3D kim loại tạo ra các cấu trúc phức tạp bằng cách làm tan chảy từng lớp bột kim loại, nhưng quá trình này có ba vấn đề lớn:
Ứng suất dư: Làm nóng và làm mát nhanh bằng tia laser có thể làm thay đổi hình dạng của mạng, điều này có thể khiến các bộ phận bị nứt hoặc uốn cong.
Các sai sót về mặt tổ chức: Quá trình hóa rắn không{0}}cân bằng tạo ra các đặc điểm thô như tinh thể dạng cột và đuôi gai, khiến vật liệu kém bền hơn.
Hiệu suất không đồng đều: các giao diện yếu có thể dễ dàng hình thành tại các điểm nối giữa các lớp, làm giảm tuổi thọ của vật liệu.
Bằng cách quản lý cẩn thận trường nhiệt độ và quá trình chuyển pha, xử lý nhiệt có thể đạt được ba mục tiêu chính:
Giảm ứng suất: Xử lý ủ giúp loại bỏ ứng suất còn sót lại và làm cho kích thước ổn định hơn.
Tối ưu hóa tổ chức: Có được cấu trúc tinh thể cân bằng đồng đều và mịn bằng cách sử dụng dung dịch rắn và xử lý lão hóa.
Cải thiện hiệu suất: Kiểm soát hình dạng của các giai đoạn kết tủa để tìm sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo dai.
Ví dụ, công nghệ SLM được sử dụng để chế tạo một cánh động cơ hàng không cụ thể, sau đó được xử lý bằng dung dịch ở 1050 độ và già đi ở 550 độ. Độ bền kéo tăng từ 850MPa lên 1200MPa và tuổi thọ mỏi tăng gấp ba lần.
2, Cái nhìn đa chiều về chi phí xử lý nhiệt
1. Chi phí thiết bị: chi phí điều khiển chính xác
Để xử lý nhiệt các vật thể in 3D kim loại, bạn cần có các công cụ đặc biệt:
Lò chân không ngăn chặn các kim loại hoạt động như hợp kim titan bị rỉ sét. Nó có giá cao gấp hai đến ba lần so với lò nung thông thường.
Hệ thống xử lý nhiệt bằng laser: dùng để thay đổi bề mặt của một khu vực nhỏ, thiết bị có giá hơn 5 triệu nhân dân tệ.
Một hệ thống điều khiển thông minh cần bao gồm đo nhiệt độ hồng ngoại, kiểm soát không khí và các mô-đun khác. Giá trị của một hệ thống là hơn một triệu nhân dân tệ.
Một công ty nào đó cho biết khấu hao của thiết bị xử lý nhiệt chiếm từ 18% đến 25% giá thành đơn vị và tỷ lệ này tăng lên nhanh chóng khi độ chính xác của thiết bị được cải thiện.
2. Chi phí năng lượng: Nhiệt độ cao tạo ra-lỗ đen tiêu thụ năng lượng lâu dài.
Cài đặt bình thường cho quá trình xử lý nhiệt:
Xử lý dung dịch: cách nhiệt 4 đến 6 giờ ở 1000–1050 độ
Xử lý thời gian: giữ lớp cách nhiệt ở nhiệt độ 160–180 độ trong 8–12 giờ.
Ủ giảm căng thẳng: Giữ ở nhiệt độ 300–400 độ trong 2–4 giờ.
Ví dụ, cần 120–150 kWh năng lượng để xử lý nhiệt một mảnh Ti6Al4V được tạo ra bằng SLM. Chi phí điện năng sẽ hơn 15% nếu bạn sử dụng lò sưởi điện. Nếu bạn sử dụng lò đốt gas, bạn sẽ tiết kiệm được 40% chi phí năng lượng, nhưng bạn sẽ phải chi nhiều hơn cho thiết bị để làm sạch khí thải.
3. Chi phí nguyên liệu: Trò chơi hiệu quả của việc tái chế bột
Xử lý nhiệt có thể dẫn đến thất thoát vật chất:
Đốt cháy oxy hóa: Khi kim loại được nung nóng đến nhiệt độ cao, lớp da oxy hóa xảy ra trên bề mặt của nó. Tỷ lệ tổn thất là 0,5% đến 1,2%.
Mất chất dễ bay hơi: Kim loại có nhiệt độ sôi thấp, chẳng hạn như hợp kim magiê, bay hơi ở nhiệt độ cao, mất hơn 2% trọng lượng.
Cấu trúc hỗ trợ: Thiết kế các bộ phận kênh dòng chảy bên trong phức tạp với các giá đỡ có thể tháo rời làm tăng tỷ lệ lãng phí vật liệu từ 5% đến 8%.
Hệ thống tái chế bột có thể nâng tỷ lệ sử dụng lên 92%–95%, tuy nhiên vấn đề bột tái chế mất hiệu quả vẫn cần được khắc phục. Một nghiên cứu cho thấy sau ba lần sử dụng, nồng độ oxy của bột Ti6Al4V tăng 0,03%, khiến độ bền mỏi của các thành phần giảm 12%.
4. Chi phí thời gian: chuỗi quy trình có điểm nghẽn về hiệu quả
Một chu trình xử lý nhiệt điển hình trông như thế này:
Trước khi xử lý: làm sạch, không hỗ trợ, phun cát (2–4 giờ)
Làm nóng, cách nhiệt và làm mát (8 đến 24 giờ) đều là một phần của quá trình xử lý nhiệt.
-Xử lý hậu kỳ: cắt dây, đánh bóng và kiểm tra (3–6 giờ)
Một công ty phụ tùng ô tô nào đó nói rằng quy trình xử lý nhiệt chiếm 60% đến 70% toàn bộ chu trình sản xuất in 3D. Đây là nguyên nhân chính khiến việc giao hàng chậm.
3, Lộ trình kỹ thuật hạ giá thành
1. Thay đổi cách thực hiện: rút ngắn chu trình xử lý nhiệt.
Kỹ thuật ủ nhanh sử dụng hệ thống sưởi-mật độ năng lượng cao để giảm thời gian xử lý dung dịch từ 6 giờ xuống còn 2 giờ.
Quá trình lão hóa theo mức độ: Bằng cách kiểm soát nhiệt độ theo nhiều giai đoạn, thời gian cách nhiệt tổng thể được giảm xuống trong khi vẫn đảm bảo hiệu suất tốt.
Xử lý cục bộ bằng sưởi ấm cảm ứng: Chỉ những bộ phận quan trọng nhất được làm nóng, giúp cắt giảm hơn 70% mức sử dụng năng lượng.
Một công ty máy bay nào đó đã sử dụng công nghệ ủ nhanh để cắt giảm 35% chi phí xử lý nhiệt các bộ phận Ti6Al4V và làm cho cấu trúc vi mô nhất quán hơn 20%.
2. Nâng cấp trang bị: Tận dụng năng lượng tốt hơn
Lò cacbon hóa áp suất thấp{0}} chân không: Giữ áp suất trong không khí từ 10 đến 100 Pa để sử dụng ít khí hơn.
Hệ thống thu hồi nhiệt thải: sử dụng nhiệt thải từ nước làm mát để làm ấm các bộ phận mới, giúp cắt giảm 18% mức sử dụng năng lượng tổng thể.
Hệ thống kiểm soát nhiệt độ thông minh: sử dụng máy học để cải thiện đường cong gia nhiệt và giảm nhu cầu xử lý lặp lại do thay đổi nhiệt độ.
Sau khi một nhà sản xuất thiết bị nhất định bắt đầu sử dụng hệ thống quản lý nhiệt độ thông minh, tỷ lệ đạt tiêu chuẩn xử lý nhiệt đã tăng từ 82% lên 95% và chi phí cho mỗi đơn vị giảm 22%.
3. Cải tiến vật liệu: Chế tạo hệ thống hợp kim giá rẻ
Công nghệ in từng phần: sử dụng hợp kim nhôm ở những bộ phận không cần phải chịu nhiều trọng lượng và hợp kim titan ở những bộ phận cần thiết, giúp giảm 40% giá vật liệu.
Bột biến tính nano: Thêm 0,5% hạt nano sẽ làm giảm nhiệt độ xử lý nhiệt xuống 50 độ C và cắt giảm 30% năng lượng sử dụng.
Sử dụng bột tái sinh: Tạo mô hình về hiệu suất của bột sẽ thay đổi như thế nào theo thời gian để việc sản xuất ổn định sau ít nhất năm lần sử dụng.
Hợp kim magie không gỉ Mg Zn Ca do một nhóm nghiên cứu nhất định tạo ra hoạt động tốt như hợp kim nhôm trong các thử nghiệm phun muối và giúp cắt giảm 60% chi phí xử lý bề mặt.
4. Tái cấu trúc quy trình: kết hợp sản xuất và xử lý nhiệt
Thiết bị tích hợp để xử lý nhiệt in: một mô-đun gia nhiệt cảm ứng được tích hợp bên trong buồng in để cho phép ủ tại chỗ.
Công nghệ bản sao kỹ thuật số: Sử dụng mô phỏng để tìm ra các thông số quy trình tốt nhất và cắt giảm chi phí thử và sai.
Dây chuyền sản xuất tự động: kết hợp các mô-đun như làm sạch, xử lý nhiệt và phát hiện để cắt giảm một nửa chi phí lao động.
Một công ty cụ thể đã xây dựng một nhà máy thông minh giúp cắt giảm 42% tổng chi phí của các bộ phận in 3D bằng cách thay đổi cách sản xuất chúng. Chi phí xử lý nhiệt giảm từ 25% xuống 14%.