Những yếu tố nào sẽ quyết định giải pháp-xử lý hậu kỳ cho in 3D kim loại?

1. Thuộc tính vật liệu: Giới hạn cơ bản cho quá trình xử lý hậu kỳ
Thành phần, cấu trúc vi mô và đặc tính nhiệt lý của vật liệu in 3D kim loại trực tiếp quyết định quỹ đạo kỹ thuật và các thông số quy trình của quá trình xử lý hậu kỳ.
Tính chất của thành phần vật liệu và sự chuyển pha
kim loại biến đổi có nhiệt độ chuyển pha rất khác nhau, hệ số giãn nở nhiệt và độ nhạy oxy hóa. Ví dụ, hợp kim titan (Ti6Al4V) có xu hướng phản ứng với oxy tạo thành lớp oxit giòn ở nhiệt độ trên 600 độ, do đó việc xử lý nhiệt phải được thực hiện trong môi trường chân không hoặc khí trơ. Hợp kim nhiệt độ cao-dựa trên niken (như Inconel 718) có nhiều nguyên tố hợp kim và cần kiểm soát theo mức độ kết tủa của 'xử lý pha thông qua dung dịch (cách nhiệt 980–1020 độ trong 1 giờ) và xử lý lão hóa (cách nhiệt 720 độ trong 8 giờ) để tìm sự cân bằng giữa độ bền và độ bền
Mật độ và tính chất của bột
Mật độ ban đầu của các vật phẩm được in bị ảnh hưởng bởi kích thước của các hạt, độ chảy của chúng và độ tinh khiết của bột. Ví dụ, các bộ phận hợp kim nhôm được in bằng bột hình cầu có kích thước hạt 15–45 μm có thể có độ xốp ban đầu từ 3% đến 5%. Để làm cho chúng đặc hơn 99,9%, chúng cần được ép nóng đẳng tĩnh (HIP) ở 1200 độ và 100 MPa. Các bộ phận được in bằng bột có kích thước nano có thể chỉ cần được ủ để loại bỏ ứng suất bên trong vì chúng thiêu kết rất nhanh.
Kiểm soát không giống nhau ở mọi hướng
Cách in 3D kim loại xếp chồng các lớp lên nhau mang lại cho nó các đặc tính cơ học dị hướng. Ví dụ: độ bền kéo của thép không gỉ 316L dọc theo hướng in (trục Z-) thấp hơn từ 10% đến 15% so với hướng dọc (trục XY). Xử lý nhiệt, chẳng hạn như giữ ở nhiệt độ 750 độ trong 2 giờ và sau đó làm nguội bằng nước, có thể giúp các hạt kết tinh lại, giảm tính dị hướng xuống trong khoảng 5% và làm cho các bộ phận cấu trúc trở nên đồng nhất.
2. Một phần của yêu cầu chức năng:-xử lý hậu kỳ có mục tiêu rõ ràng
Kế hoạch xử lý hậu kỳ-phải hết sức tập trung vào cách sử dụng các phần cuối cùng và cải thiện các chỉ số hiệu suất dựa trên điều đó.
Cải thiện hiệu suất cơ khí
Cần độ bền cao: Đĩa tuabin động cơ hàng không vũ trụ phải chịu được nhiệt độ cực cao 1000 độ và ứng suất 1000 MPa. Độ bền kéo phải được nâng lên vượt quá 1200 MPa bằng phương pháp tổng hợp xử lý nhiệt HIP+ (sau 1220 độ /150 MPa HIP, dung dịch rắn 1080 độ+720 lão hóa độ).
Tiêu chuẩn về độ dẻo dai cao: Các thiết bị cấy ghép chỉnh hình, bao gồm cả khớp háng giả, cần phải chắc chắn và có khả năng chịu mài mòn. Ủ (giữ ở 700 độ trong 4 giờ và sau đó làm nguội từ từ) có thể tăng tốc độ giãn dài từ 15% lên 25% và giảm nguy cơ gãy giòn.
Khả năng chống ăn mòn tốt hơn
Các bộ phận bằng thép không gỉ 316L dùng trong kỹ thuật hàng hải cần có khả năng chống ăn mòn do phun muối trong thời gian dài. Thời gian chống phun muối có thể tăng từ 240 giờ lên 2000 giờ bằng cách sử dụng cả đánh bóng điện hóa (loại bỏ lớp oxit bề mặt) và anodizing (tạo thành lớp phủ oxit dày 10 μm). Điều này đáp ứng các yêu cầu của tiêu chuẩn ISO 9227.
Cải thiện chất lượng bề mặt
Lĩnh vực điện tử tiêu dùng có các quy định chặt chẽ về hình thức các bộ phận. Để làm cho bề mặt bớt nhám hơn, chúng cần được đánh bóng theo nhiều bước (mài thô → mài mịn → đánh bóng gương) cho đến khi đạt Ra0,2 μ m hoặc thấp hơn. Xử lý phun cát (200 hạt cát alumina lưới) được áp dụng đồng thời để tạo ra lớp sơn mờ đồng nhất đáp ứng các tiêu chuẩn thiết kế.
3. Hạn chế trong quy trình sản xuất: giới hạn những gì có thể làm được sau khi chế biến
Thông số kỹ thuật của quy trình in và khả năng của thiết bị ngay lập tức hạn chế các tùy chọn về công nghệ xử lý hậu kỳ.
Kiểm soát ứng suất dư
Kỹ thuật nấu chảy bột bằng laser (LPBF) để lại ứng suất dư có thể lên tới 70% cường độ chảy của vật liệu vì nó nguội đi quá nhanh. Việc ủ giảm ứng suất (cách nhiệt ở 500–600 độ trong 2 giờ) phải được thực hiện ngay sau khi in xong. Nếu không, các bộ phận có thể bị cong vênh hoặc nứt khi cắt hoặc gia công. Công nghệ nấu chảy bằng chùm tia điện tử (EBM) có ít ứng suất dư hơn vì nó làm nóng chất nền đến hơn 600 độ trước khi làm tan chảy nó. Điều này làm cho quá trình xử lý hậu kỳ-dễ dàng hơn.
Loại bỏ cấu trúc hỗ trợ
Thiết kế hỗ trợ cho các bộ phận có kết cấu phức tạp, như buồng đốt trong động cơ hàng không, cần phải tìm ra sự dung hòa giữa tính ổn định trong khi in và tính dễ sử dụng sau khi in. Việc sử dụng các vật liệu hỗ trợ hòa tan trong nước có thể giúp loại bỏ chúng dễ dàng hơn. Mặt khác, các giá đỡ kim loại cần được xử lý bằng cách cắt dây (với độ chính xác ± 0,05mm) hoặc khắc hóa học (đối với các cấu trúc vi mô) để tránh hư hỏng bề mặt do cắt cơ học.
Đảm bảo độ chính xác kích thước
Độ dày của lớp in (thường là 20–100 μ m) và phương pháp quét (quét bàn cờ như vậy) đều ảnh hưởng đến độ chính xác của các bộ phận. Đối với các bộ phận cần dung sai ± 0,02 mm trên bề mặt tiếp xúc, cần gia công liên kết năm{4} trục (chẳng hạn như phay và mài) sau khi xử lý nhiệt. Tuy nhiên, các bộ phận có kết cấu đơn giản có thể đạt được độ chính xác bề mặt Ra3,2 μm bằng cách phun cát và mài.
4. Cân bằng chi phí-lợi ích: các yếu tố kinh tế cần cân nhắc sau khi xử lý
Giải pháp-xử lý hậu kỳ phải tìm ra sự cân bằng tốt nhất giữa việc giảm chi phí và cải thiện hiệu suất.
Tối ưu hóa chi phí đơn vị
Khi sản xuất nhiều bộ phận cấy ghép y tế, việc điều trị HIP có thể giúp chúng tồn tại lâu hơn, nhưng chi phí cho mỗi đơn vị tăng từ 30% đến 50%. Bằng cách thay đổi cài đặt in (chẳng hạn như tăng mật độ năng lượng laser) để giảm độ xốp ban đầu, nhu cầu xử lý HIP có thể giảm một nửa, giúp tiết kiệm rất nhiều tiền.
Lợi tức đầu tư vào thiết bị
Các doanh nghiệp hàng không vũ trụ phải chi hàng triệu đô la cho thiết bị HIP để xử lý các bộ phận hợp kim có nhiệt độ-cao. Để tránh có tài sản cố định nhàn rỗi, họ có thể làm việc với các nhà cung cấp dịch vụ-xử lý hậu kỳ chuyên nghiệp và tính phí mỗi sản phẩm (chi phí xử lý mỗi sản phẩm) 500–2000.
Cải thiện hiệu quả của chu trình
Phải mất 7 đến 10 ngày để chế tạo khuôn ô tô bằng kỹ thuật "in + ủ + gia công chính xác". Nhưng bằng cách tối ưu hóa quy trình xử lý nhiệt (ví dụ: tăng nhanh nhiệt độ lên 750 độ và giữ ở đó trong một giờ), chu kỳ có thể giảm xuống còn 5 ngày, giúp giao hàng nhanh hơn.