Những khó khăn trong việc kiểm soát lỗi kích thước của khuôn in 3D kim loại là gì?

1. Sự khác biệt về kích thước do co rút vật liệu và ứng suất nhiệt
Trong quá trình in 3D, vật liệu kim loại trải qua quá trình thay đổi pha rắn-lỏng-rắn. Hệ số giãn nở nhiệt và tốc độ co ngót là những yếu tố chính ảnh hưởng đến độ chính xác của kích thước. Ví dụ: sử dụng các vật liệu thường được sử dụng:

Thép không gỉ (như 316L): Tỷ lệ co rút khi làm mát khoảng 4%. Nếu không thực hiện hiệu chỉnh ngược trong giai đoạn tạo mô hình, khuôn dài 100mm có thể co lại còn 96mm, nằm ngoài phạm vi dung sai ± 0,1mm.
Hợp kim titan (chẳng hạn như Ti-6Al-4V) co lại khoảng 2%, nhưng ứng suất nhiệt tích tụ nhanh hơn, có thể dễ dàng gây cong vênh, đặc biệt là trong các tòa nhà có tường mỏng hoặc đúc hẫng.
Đột phá khó khăn: Để tìm ra tỷ lệ co ngót thực tế, bạn cần sử dụng các công cụ kỹ thuật đảo ngược như Geomagic Control X. Bạn cũng cần sử dụng công thức "kích thước bù=kích thước thiết kế ÷ (1-tỷ lệ co ngót)" trong bước lập mô hình. Ví dụ: khuôn làm bằng thép không gỉ cần lớn hơn 4,2% (100mm → 104,2mm) và khuôn làm bằng hợp kim titan cần lớn hơn 2,04% (100mm → 102,04mm). Công nghệ bù định hướng cũng có thể xử lý các tình huống khó khăn khi tốc độ co ngót của trục Z cao hơn 10% so với trục XY trong quy trình SLM.

2. Cải thiện các thông số quy trình: kỹ thuật cân bằng mật độ năng lượng và độ dày lớp
Để in 3D kim loại được chính xác, các đặc tính như công suất laser, tốc độ quét và độ dày lớp phải được kiểm soát một cách phối hợp. Bất kỳ thay đổi nào trong tham số đều có thể gây ra vấn đề về chiều.

Mật độ năng lượng không đủ: Nếu công suất laser quá thấp hoặc tốc độ quét quá nhanh, bột không tan hết, tạo ra khuyết tật nhiệt hạch không hoàn toàn. Điều này làm suy yếu liên kết giữa các lớp và làm cho kích thước của vật thể kém ổn định hơn.
Mật độ năng lượng cao: Nếu công suất laser thay đổi hơn 5%, bể nóng chảy sẽ bắn mạnh và kim loại lỏng biến thành các hạt tròn trên bột không tan chảy. Điều này làm cho bề mặt không đồng đều và thay đổi kích thước.
Chọn độ dày của các lớp: Độ dày lớp 0,1mm có thể giúp mọi việc hiệu quả hơn, nhưng hoa văn rõ ràng và độ nhám Ra lớn hơn 5 μm. Độ dày lớp 0,03-0,05mm có thể tạo ra độ nhám Ra<3 μ m, but it will take more than three times longer to print.
Nghiên cứu điển hình: Một công ty hàng không đã sử dụng công nghệ SLM để in các cánh tuabin. Họ đã sử dụng các thí nghiệm trực giao để tìm ra sự kết hợp tốt nhất của các thông số: công suất laser 300W, tốc độ quét 1200mm/s, độ dày lớp 0,05mm và đường quét chéo (các lớp liền kề được quét dọc theo trục X/Y). Dung sai kích thước được quản lý hiệu quả trong phạm vi ± 0,05mm, phù hợp với tiêu chuẩn hàng không vũ trụ.

3. Độ chính xác của thiết bị: từ hiệu chỉnh phần cứng đến điều khiển chuyển động
Cơ sở vật lý để kiểm soát kích thước là độ chính xác của thiết bị. Để đạt được điều này, ba lĩnh vực phải phối hợp với nhau để cải thiện: cấu trúc cơ khí, hệ thống chuyển động và cảm biến.

Độ phẳng của nền in: Nếu nền in không bằng phẳng, các lớp có thể không có cùng độ dày, điều này có thể khiến kích thước "dày ở một mặt và mỏng ở mặt kia". Để đảm bảo chênh lệch số đọc giữa năm điểm (bốn góc cộng với tâm) trên bệ nhỏ hơn hoặc bằng 0,05 mm, bạn cần có đồng hồ đo chính xác đến 0,01 mm.
Có khoảng trống giữa vít me và ray dẫn hướng: Nếu khoảng cách quá lớn, đầu in sẽ di chuyển quá xa. Nếu bạn bảo nó di chuyển 10mm, nó thực sự sẽ di chuyển 10,02mm. Để tìm ra lỗi khoảng cách lỗ, bạn cần in một tấm phẳng có nhiều lỗ nhỏ (đường kính 5 mm và cách nhau 20 mm) và sử dụng công cụ đo tọa độ. Sau đó, bạn có thể khắc phục sự cố bằng cách sử dụng "tỷ số truyền điện tử" của phần mềm thiết bị.
Hiệu chỉnh đường kính điểm laser: Nếu bạn đặt sai đường kính điểm (ví dụ: nếu nó thực sự là 0,1mm nhưng chương trình cho biết là 0,08mm), thì bạn có thể bị "cháy quá mức" hoặc "đang cháy quá mức". In một đoạn thẳng dài 10mm, sau đó đo chiều rộng thực tế và so sánh với những gì chương trình nói. Bạn cần khắc phục lỗi nếu nó lớn hơn 0,02mm.
4. Thiết kế cấu trúc hỗ trợ: tìm sự cân bằng phù hợp giữa độ bền và khả năng tháo lắp dễ dàng
Cấu trúc đỡ không chỉ đơn giản là “bộ xương” giữ cho mô hình không bị thay đổi hình dạng mà nó còn có thể là nguyên nhân gây ra lỗi kích thước:

Quá nhiều khoảng trống giữa các giá đỡ: Nếu khoảng cách giữa các giá đỡ trên các bộ phận treo (chẳng hạn như công xôn 5 mm) lớn hơn 3 mm, vật phẩm có thể bị xệ xuống trong khi in, gây ra sự thay đổi kích thước.
Góc đỡ dốc: Nếu góc giữa giá đỡ và bộ phận nhỏ hơn 45 độ, việc tháo giá đỡ có thể dễ dàng "kéo" và thay đổi hình dạng của bộ phận, đặc biệt nếu nó có thành-mỏng (độ dày<2mm).
Phần dưới của giá đỡ không đủ chắc chắn: Nếu phần dưới của giá đỡ có đường kính không lớn hơn 50% so với phần trên thì các bộ phận dễ bị nghiêng do lực căng không đều.
Cách mới để giải quyết vấn đề:
Sử dụng các phương pháp tối ưu hóa cấu trúc liên kết để tạo ra các cấu trúc hỗ trợ nhẹ, chắc chắn nhưng cần ít vật liệu hơn; yêu cầu các công cụ phức tạp như lưỡi cắt siêu âm để tháo các giá đỡ và tránh biến dạng do va đập búa. Bằng cách cải tiến thiết kế giá đỡ, một nhà sản xuất khuôn mẫu cho ô tô đã có thể nâng cao dung sai kích thước của các bộ phận có thành mỏng từ ± 0,2 mm đến ± 0,08 mm.

5. Kiểm soát môi trường: Những tác động vô hình của nhiệt độ và độ ẩm
Mọi người thường không nghĩ đến việc điều kiện môi trường ảnh hưởng như thế nào đến độ ổn định kích thước của in 3D kim loại:

Thay đổi nhiệt độ: Thay đổi nhiệt độ xưởng trên 5 độ (ví dụ: 25 độ vào ban ngày và 18 độ vào ban đêm) có thể làm cho thiết bị giãn nở và co lại, có thể gây ra sai lệch kích thước. Bạn cần lắp đặt điều hòa nhiệt độ duy trì ở mức 22 ± 2 độ.
Hấp thụ độ ẩm của bột: Nếu bột kim loại có độ ẩm lớn hơn 0,1%, việc in ấn sẽ tạo ra các lỗ rỗng, khiến kích thước không ổn định. Cho bột kết tụ vào rây 80 lưới và sấy khô trong lò 80 độ trong 2 giờ.