Xử lý hậu kỳ cho in 3D kim loại là gì? Tại sao việc xử lý hậu kỳ lại cần thiết?

一, Quá trình-hậu kỳ cho in 3D kim loại là gì và mục tiêu chính của nó là gì
-Xử lý hậu kỳ quá trình in 3D kim loại là một chuỗi các bước được thực hiện trên các bộ phận được in sau khi quá trình sản xuất phụ gia kim loại được thực hiện. Các bước này bao gồm sửa chữa, tối ưu hóa và xử lý các bộ phận để loại bỏ các lỗi sản xuất, cải thiện các chỉ số hiệu suất và đáp ứng nhu cầu của một số ứng dụng nhất định. Các mục tiêu chính của nó có thể được tóm tắt như sau:

Cải thiện chất lượng: loại bỏ các vấn đề như sai sót liên kết giữa các lớp và bề mặt gồ ghề khiến các bộ phận kém tin cậy hơn.
Tối ưu hóa hiệu suất: Xử lý nhiệt, biến đổi bề mặt và các phương pháp xử lý khác có thể cải thiện những phẩm chất quan trọng của vật liệu như độ bền, độ cứng và khả năng chống ăn mòn.
Hiệu chỉnh kích thước: Bù đắp cho sự biến dạng nhiệt và co rút xảy ra trong quá trình in để đảm bảo các chi tiết đáp ứng yêu cầu về dung sai thiết kế.
Tích hợp chức năng: mang lại hiệu suất tổng thể phức tạp hơn bằng cách tăng cường cấu trúc của chúng hoặc kết hợp các vật liệu khác nhau.
Ví dụ, trong ngành hàng không vũ trụ, in 3D kim loại được sử dụng để chế tạo khung chung của một loại bình nhiên liệu động cơ tên lửa nhất định. Sau đó, phương pháp xử lý ép đẳng tĩnh nóng (HIP) được sử dụng để loại bỏ mọi lỗ chân lông bên trong. Sau đó, phay CNC được sử dụng để định hình bề mặt bịt kín và xử lý anodizing được sử dụng để làm cho nó có khả năng chống ăn mòn tốt hơn. Chuỗi quy trình sau khi xử lý này giúp các bộ phận bền hơn 30%, nhẹ hơn 40% và có thể bịt kín trong điều kiện rất khắc nghiệt.

2, Hệ thống công nghệ chính để xử lý hậu kỳ
Có bốn mô-đun công nghệ trong quá trình-xử lý sau in 3D kim loại: loại bỏ vật liệu, xử lý nhiệt, xử lý bề mặt và gia cố cấu trúc. Mỗi mô-đun là một phần của giải pháp lớn hơn phù hợp với nhiều tình huống khác nhau.

1. Loại bỏ vật liệu: chạm khắc với độ chính xác từ “thô” đến “mịn”
Các mặt hàng in 3D bằng kim loại thường không thể sử dụng được ngay vì chúng còn sót lại các cấu trúc hỗ trợ và bề mặt gồ ghề (giá trị Ra có thể cao tới 10–20 μm). Kỹ thuật loại bỏ vật liệu sử dụng gia công cơ học, cắt laser hoặc ăn mòn hóa học để thực hiện các công việc sau:

Để tháo cấu trúc giá đỡ, hãy sử dụng các công cụ cắt cơ học hoặc bóc tách-được hỗ trợ bằng chất làm lạnh để đảm bảo rằng giá đỡ được loại bỏ hoàn toàn mà không làm hỏng vật thể in. Ví dụ, một phần in của trục bánh xe ô tô bị đóng băng ở nhiệt độ thấp, khiến cấu trúc đỡ trở nên mỏng manh và dễ bong tróc hơn. Điều này làm tăng hiệu quả lên 50%.
Hoàn thiện bề mặt: Phay, mài hoặc đánh bóng CNC có thể làm cho độ nhám bề mặt nhỏ hơn Ra0,8 μ m. Trung tâm gia công liên kết năm{2}}trục được sử dụng để đánh bóng bề mặt của kênh dòng chảy sau khi in các cánh của một động cơ máy bay nhất định. Điều này làm giảm 15% sức cản của luồng không khí.
Hiệu chỉnh kích thước: Sử dụng thiết bị đo tọa độ để lấy dữ liệu phản hồi và khắc phục mọi thay đổi về kích thước xảy ra trong quá trình in bằng cách sử dụng xử lý cơ học. Công nghệ phay vi mô giữ độ chính xác về kích thước của thiết bị cấy ghép thiết bị y tế được in trong phạm vi ± 0,01mm, đây là mức cần thiết để đưa vào phẫu thuật.
2. Xử lý nhiệt: nhân tố thay đổi cuộc chơi-trong việc kiểm soát hiệu suất của cấu trúc vi mô
Xử lý nhiệt giúp loại bỏ các ứng suất dư tích tụ trong quá trình in (lên tới 50% đến 70% cường độ chảy của vật liệu) và cải thiện cấu trúc hạt của vật liệu bằng cách điều chỉnh đường cong gia nhiệt và làm mát. Một số phương pháp phổ biến là:

Xử lý ủ: Làm nóng phần dưới nhiệt độ mà nó có thể kết tinh lại và giữ ấm để loại bỏ ứng suất bên trong và làm cho nó linh hoạt hơn. Xử lý ủ chân không giúp giảm 80% ứng suất dư và tăng gấp ba lần tuổi thọ mỏi của bộ phận cấy ghép chỉnh hình bằng hợp kim titan sau khi được in.
Dung dịch rắn và xử lý lão hóa: Đối với các vật liệu như hợp kim nhiệt độ cao-dựa trên niken, việc xử lý dung dịch rắn hòa tan giai đoạn tăng cường và sau đó xử lý lão hóa sẽ tạo thành kết tủa mịn, làm tăng đáng kể độ bền nhiệt độ-cao. Sau khi in đĩa tuabin cho một động cơ hàng không nhất định, dung dịch rắn và xử lý lão hóa đã cải thiện khả năng chống rão ở 650 độ lên 40%.
Ép đẳng tĩnh nóng (HIP) sử dụng cả nhiệt độ cao (thường là 0,7–0,9 lần điểm nóng chảy của vật liệu) và áp suất cao (100–200MPa) để loại bỏ các lỗ bên trong và làm cho vật liệu đặc hơn. Sau khi in một phần cụ thể của cấu trúc vệ tinh, quá trình xử lý HIP đã tăng mật độ từ 99,2% lên 99,95% và giới hạn mỏi thêm 25%.
3. Xử lý bề mặt: Từ “Chức năng hóa” đến “Thông minh hóa” trong Kỹ thuật bề mặt
Bằng cách sửa đổi hình thái bề mặt hoặc thành phần hóa học của vật thể, công nghệ xử lý bề mặt mang lại cho chúng những đặc tính cụ thể bao gồm khả năng chống ăn mòn, mài mòn và tương thích sinh học. Một số công nghệ phổ biến là:

Phun cát và đánh bóng: Phun cát sử dụng-các hạt cát chuyển động nhanh để chạm vào bề mặt, làm cho bề mặt nhám đều (Ra3,2–6,3 μ m) và giúp lớp phủ bám dính tốt hơn. Sau đó, quá trình đánh bóng làm cho bề mặt thậm chí còn mịn hơn, dưới Ra0,4 μ m, để đáp ứng các nhu cầu về quang học hoặc bịt kín.
Mạ điện và mạ hóa học là hai cách để thêm các lớp kim loại hoặc hợp kim lên bề mặt vật dụng để giúp chúng có khả năng chống gỉ tốt hơn hoặc dẫn điện tốt hơn. Xử lý mạ niken giúp giảm 90% tỷ lệ ăn mòn trong dung dịch NaCl 3,5% sau khi in một bộ phận kỹ thuật hàng hải cụ thể.
Lớp phủ laze: Chùm tia laze năng lượng cao-làm tan chảy bột hợp kim và tạo thành lớp phủ dày 0,1–5 mm trên bề mặt vật phẩm. Điều này làm cho nó có khả năng chống mài mòn cao hơn nhiều. Lớp phủ laze của lớp phủ hợp kim Stellite 6 đã tăng khả năng chống mài mòn của các bánh răng của một thiết bị khai thác nhất định lên gấp 5 lần sau khi chúng được in.
Quá trình oxy hóa hồ quang vi mô: Một màng oxit gốm được phủ lên bề mặt hợp kim nhôm và magiê để làm cho chúng có khả năng chống mài mòn và ăn mòn cao hơn. Xử lý oxy hóa hồ quang vi mô đã tăng thời gian chống ăn mòn lên hơn 1000 giờ trong thử nghiệm phun muối sau khi in giá đỡ cho bộ pin xe năng lượng mới.
4. Gia cố kết cấu: thay đổi tính năng từ "vật liệu đơn" sang "kết cấu tổng hợp"
Bằng cách thêm các giai đoạn gia cố hoặc cải thiện các tuyến truyền tải, công nghệ gia cố kết cấu làm cho các bộ phận hoạt động cơ học tốt hơn về tổng thể. Một số cách phổ biến là:

Gia cố sợi: Đưa sợi carbon hoặc gốm vào ma trận kim loại để tạo thành cấu trúc vật liệu composite. Sau khi in, một phần nhất định của cấu trúc máy bay được làm chắc chắn hơn bằng cách bổ sung các sợi carbon cắt ngắn, giúp nó bền hơn 30% về độ bền cụ thể.
Thiết kế vật liệu có độ dốc: Bạn có thể thay đổi chất lượng của vật liệu bằng cách thay đổi hỗn hợp bột hoặc các thông số in. Các chi tiết được in của van năng lượng hạt nhân có cấu trúc chuyển màu làm bằng thép không gỉ hợp kim niken{1}}. Điều này giúp chúng có khả năng chống mỏi cao hơn 40% trong môi trường khớp nối cơ học-nhiệt.
Thiết kế cấu trúc mạng: Sử dụng tối ưu hóa cấu trúc liên kết để tạo ra các cấu trúc mạng nhẹ nhẹ hơn 50% nhưng vẫn chắc chắn. Sau khi in một giá đỡ vệ tinh cụ thể, nó sẽ có cấu trúc mạng tứ diện, giúp nó cứng gấp đôi và nhẹ hơn 60%.
3, Nhu cầu xử lý hậu kỳ: chuyển từ "tính khả thi về mặt kỹ thuật" sang "độ tin cậy về mặt kỹ thuật"
Nhu cầu-xử lý hậu kỳ trong in 3D kim loại phát sinh từ sự xung đột giữa các thuộc tính cơ bản của công nghệ sản xuất bồi đắp và nhu cầu khắt khe của các ứng dụng kỹ thuật. Cụ thể, sự cần thiết của nó được thể hiện ở các khía cạnh sau:

1. Loại bỏ các sai sót trong sản xuất và đảm bảo sản phẩm hoạt động như bình thường.
Ứng suất nhiệt do làm nóng và làm mát nhanh, các lỗ hình thành khi bột không kết dính hoàn toàn và liên kết giữa các lớp yếu đều có thể làm cho các mảnh kém bền hơn và dễ bị vỡ hơn trong quá trình in 3D kim loại. Ví dụ: giới hạn mỏi của các bộ phận được in bằng hợp kim nhiệt độ cao-làm từ niken-không xử lý HIP có thể nhỏ hơn 50% so với giới hạn mỏi của các bộ phận được rèn; tuy nhiên, sau khi ủ để loại bỏ ứng suất dư, tuổi thọ mỏi của bộ phận rèn có thể vượt quá 80%.

2. Đáp ứng các mục tiêu về hiệu suất và mở rộng phạm vi ứng dụng
Các yêu cầu về hiệu suất của bộ phận rất khác nhau tùy thuộc vào ứng dụng. Trong ngành hàng không vũ trụ, các bộ phận cần hoạt động tốt trong môi trường có nhiệt độ cao, áp suất cao và độ rung cao. Trong lĩnh vực thiết bị y tế, các bộ phận cần phải tương thích sinh học và có khả năng chống ăn mòn từ chất dịch cơ thể. Ngành công nghiệp ô tô quan tâm nhiều hơn đến việc làm cho các bộ phận nhẹ hơn và rẻ hơn. Công nghệ-xử lý hậu kỳ cho phép các mặt hàng in 3D{6}}kim loại đáp ứng những nhu cầu cụ thể này bằng cách tối ưu hóa chúng cho những mục đích đó. Ví dụ, buồng đốt của một loại động cơ máy bay nhất định vẫn có thể có cấu trúc ổn định ở nhiệt độ cao 1200 độ sau khi được in nhờ xử lý nhiệt và xử lý lớp phủ. Sau khi in mô cấy chỉnh hình bằng hợp kim titan tùy chỉnh, độ nhám bề mặt giảm xuống Ra0,2 μm thông qua xử lý đánh bóng bằng rửa bằng axit, giúp cải thiện đáng kể độ bám dính của tế bào xương.

3. Làm cho nền kinh tế hiệu quả hơn và khuyến khích sử dụng lớn
In 3D kim loại rẻ hơn khi chế tạo các cấu trúc phức tạp, nhưng chi phí nguyên liệu thô (như bột hợp kim titan, có giá vài trăm nhân dân tệ mỗi kg), khấu hao thiết bị và năng lượng sử dụng vẫn khá cao. Công nghệ-xử lý sau giảm tổng chi phí vòng đời bằng cách sử dụng vật liệu tốt hơn (ví dụ: thu hồi hơn 80% bột), giảm tỷ lệ phế liệu (ví dụ: giảm tỷ lệ sai sót thông qua phát hiện trực tuyến và sửa-thời gian thực) và kéo dài tuổi thọ của các bộ phận (ví dụ: làm cho các bộ phận có khả năng chống ăn mòn tốt hơn thông qua xử lý bề mặt). Ví dụ: một dây chuyền sản xuất in trục bánh xe ô tô đã giảm thời gian sản xuất một sản phẩm từ 8 giờ xuống còn 2 giờ bằng cách thêm một hệ thống xử lý hậu kỳ tự động-. Điều này đã giúp tiết kiệm tổng chi phí là 35%.