Tại sao bề mặt của các bộ phận in 3D kim loại tương đối thô?

一, Đặc tính của bột: nguyên nhân gây ra những sai sót nhỏ
1. Tác dụng kép của việc phân bố kích thước hạt bột
Một nghiên cứu được thực hiện bởi Đại học xứ Basque ở Tây Ban Nha đã chứng minh mối tương quan tuyến tính giữa độ nhám bề mặt và kích thước hạt nhỏ nhất (D10) trong phân bố kích thước hạt bột: giá trị D10 giảm tương ứng với việc giảm độ nhám. Ví dụ, khi D10 trong lô bột giảm từ 25 μm xuống 11 μm, độ nhám bề mặt của các bộ phận có thể giảm từ 60 μm xuống dưới 40 μm. Nhưng cách này chỉ có tác dụng với bột mịn. Khi kích thước hạt bột lớn hơn D50 thì dù thô đến đâu cũng không thành vấn đề.
2. “Hiệu ứng quả cầu tuyết” của bột dính vào đồ vật
Trong quá trình in 3D, bột mịn đã tan chảy một phần sẽ dính vào bề mặt của sản phẩm, tạo thành những vết sưng trông giống như "quả cầu tuyết". Nghiên cứu về kim loại học cho thấy cấu trúc vi mô của các loại bột kết dính này thẳng hàng với phần thân của các bộ phận, cho thấy rằng chúng có nguồn gốc trực tiếp từ lô bột ban đầu. Ví dụ, sử dụng bột có D50=45 μm có thể làm cho đường kính của bột kết dính bề mặt đạt 33–47 μm, làm tăng độ nhám đáng kể.
3. Điều quan trọng nhất về độ cầu của bột
Nếu bột không có dạng hình cầu, nó có thể dàn trải không đều và tạo thành một lớp lỏng lẻo với độ xốp lên tới 10%. Những lỗ rỗng này sẽ bám vào bột chưa tan chảy và tạo ra những khuyết điểm trên bề mặt trong suốt quá trình nấu chảy bằng laser. Các nghiên cứu đã chứng minh rằng việc sử dụng bột có độ cầu vượt quá 95% có thể làm giảm độ nhám bề mặt hơn 30%.
2, Thông số in: Cân bằng tốt trong kiểm soát quy trình
1. Xung đột giữa mật độ năng lượng và sự bắn tung tóe
High energy density (>100J/mm³) có thể làm cho bể nóng chảy chảy tốt hơn, nhưng nó cũng có thể khiến hơi kim loại bật lại, khiến kim loại nóng chảy bắn tung tóe. Những giọt này nguội đi và biến thành các hạt hình cầu dính vào bề mặt các bộ phận, khiến chúng cứng hơn từ 50% đến 80%. Ví dụ, trong khi in bằng Inconel 718, số lượng vết bắn trên bề mặt tăng gấp ba lần khi mật độ năng lượng tăng từ 80J/mm ³ lên 120J/mm ³.
2. Ảnh hưởng của độ dày của các lớp và kết cấu của quá trình hóa rắn chồng lên nhau
Một trong những điều chính ảnh hưởng đến độ nhám là độ dày của các lớp. Chiều cao của độ nhám bề mặt do hiệu ứng bước có thể tăng từ 10 μm đến 25 μm khi độ dày lớp tăng từ 20 μm đến 50 μm. Ngoài ra, góc mà tia laser chạm vào bề mặt có ảnh hưởng lớn đến kết cấu hóa rắn. Ví dụ, ở khu vực xa trung tâm in nhất, khi độ lệch góc lớn hơn 15 độ, độ nhám bề mặt sẽ tăng 40% do vũng nóng chảy không đông đặc đều.
3. Không gian để cải thiện phương pháp quét
Phương pháp quét một-một chiều tiêu chuẩn sẽ để lại các sọc trên bề mặt của bộ phận theo khoảng thời gian đều đặn. Tuy nhiên, việc sử dụng bàn cờ hoặc quét xoắn ốc có thể phá vỡ mô hình này và làm cho sự phân bố độ nhám đồng đều hơn. Ví dụ, khi in bằng hợp kim titan, phương pháp quét xoắn ốc làm giảm độ lệch chuẩn của độ nhám bề mặt từ 8 μm xuống 3 μm.
3, Công nghệ-xử lý hậu kỳ: một cách mới để hoàn thiện bề mặt
1. Giới hạn của gia công cơ khí
Gia công cơ khí truyền thống, chẳng hạn như phay CNC, không hoạt động tốt với các cấu trúc khoang bên trong phức tạp và có thể không hoạt động tốt với thiết kế nhẹ của in 3D. Ví dụ: khi phay các bộ phận cấy ghép hông bằng hệ thống lưới, phải giữ mức cho phép gia công ít nhất là 0,5mm, điều này làm tăng thêm 15% đến 20% trọng lượng.
2. Kiểm soát bằng kính hiển vi đánh bóng hóa học
Bằng cách hòa tan có chọn lọc các đỉnh vi mô bề mặt, đánh bóng hóa học có thể đạt được sự kiểm soát chính xác ở cấp độ nano. Khi in bằng hợp kim crom coban, đánh bóng hóa học bằng dung dịch kết hợp axit nitric và axit clohydric có thể làm giảm độ nhám bề mặt từ 12 μm xuống 0,8 μm mà không làm hỏng cấu trúc mạng tinh thể. Nhưng phương pháp này cần theo dõi chặt chẽ nhiệt độ (± 2 độ) và nồng độ của dung dịch (± 0,5%). Nếu không, nó có thể bị ăn mòn quá nhiều.
3. Những cách mới để đánh bóng bằng laser
Công nghệ đánh bóng đồng bộ bằng laser kép kết hợp tia laser chính để chế tạo các bộ phận và tia laser thứ cấp (xung nano giây) để loại bỏ bột còn sót lại trên bề mặt trong thời gian thực. Điều này có thể làm cho bề mặt mịn hơn 70%. Ví dụ, phương pháp này làm giảm độ nhám của quá trình in bằng thép không gỉ từ 7 μm xuống 2 μm mà không cần thực hiện thêm thao tác nào. Nhưng thiết bị này có giá cao gấp 3 đến 5 lần so với máy in 3D thông thường, khiến nó khó sử dụng trên quy mô lớn.
4. Đột phá khoang bên trong trong gia công dòng chảy mài mòn
Gia công dòng chảy mài mòn (AFM) có những lợi ích đặc biệt đối với các cấu trúc khoang bên trong phức tạp. Khi bạn đưa một môi trường bán{1}rắn có các hạt mài mòn cacbua silic vào khoang bên trong ở áp suất cao, bạn có thể loại bỏ các gờ và làm cho bề mặt mịn hơn. AFM làm giảm độ nhám bề mặt của khoang bên trong từ 50 μm xuống 5 μm trong khi in vòi phun nhiên liệu động cơ hàng không. Nó cũng giữ cho kênh dẫn nhiên liệu được thông suốt.
4, Thực tiễn trong ngành: Chuyển từ phòng thí nghiệm sang nhà máy
1. Những khám phá mới trong lĩnh vực hàng không vũ trụ
GE Aviation chế tạo vòi phun nhiên liệu cho động cơ LEAP sử dụng công nghệ SLM và xử lý HIP (ép đẳng tĩnh nóng). Điều này làm giảm độ xốp từ 0,8% xuống 0,02% và tăng tuổi thọ mỏi lên gấp ba lần. Bằng cách tinh chỉnh-phương pháp quét và độ dày lớp (30 μ m), độ nhám bề mặt được giữ trong Ra12 μ m, đáp ứng các tiêu chuẩn do ngành hàng không đặt ra.
2. Nhu cầu tùy chỉnh về thiết bị y tế
Johnson&Johnson Medical đã tạo ra một quy trình tổng hợp để cấy ghép khớp háng in 3D-kết hợp ủ chân không và đánh bóng bằng hóa chất. Ủ chân không sẽ loại bỏ ứng suất dư, sau đó sử dụng dung dịch đánh bóng gốc axit citric-để làm phẳng bề mặt từ Ra50 μm đến Ra0,8 μm trong khi vẫn giữ cho bề mặt tương thích sinh học. Phương pháp này mang lại cho bộ phận cấy ghép tuổi thọ bền hơn 20 năm, nhiều hơn mức cần thiết trong môi trường lâm sàng.
3. Thiết bị năng lượng có thể hoạt động trong môi trường rất khắc nghiệt
Siemens chế tạo cánh tuabin khí bằng cách sử dụng công nghệ tái kết tinh định hướng và xử lý dung dịch rắn. Điều này giúp giảm 80% tốc độ rão của hợp kim nhiệt độ cao-làm từ niken{2}}. Bằng cách điều chỉnh gradient nhiệt độ (ở tốc độ vẽ 2,5 mm/h ở 1235 độ), một cấu trúc tinh thể dạng cột được tạo ra phù hợp với trục ứng suất. Điều này làm tăng tuổi thọ mỏi ở 650 độ.