Ar metalinių 3D spausdinimo formų kietumas gali atitikti didelio stiprumo gamybos reikalavimus?

1. Tinkamos medžiagos pasirinkimas: Apatinė atrama iš didelio tvirtumo metalo miltelių
Pati medžiaga lemia, kiek kieto metalo yra 3D spausdinimo formos. Įrankinis plienas, nerūdijantis plienas, kietieji lydiniai ir specialūs lydiniai šiuo metu yra labiausiai paplitusios 3D spausdinimo formų medžiagos. Jų kietumo diapazonas yra nuo 20 iki 70 HRC, o tai reiškia, kad juos galima naudoti įvairiose situacijose.
Įrankinio plieno, kaip H13 ir A2, kietumas po terminio apdorojimo yra HRC 40–60. Jis yra tvirtas ir atsparus nusidėvėjimui, todėl tinka esant dideliam-stresui, pvz., liejant- ir karšto kalimo formas. Pavyzdžiui, įmonė, gaminanti automobilių dalis, naudoja 3D spausdintas H13 plieno formas, kurios po terminio apdorojimo yra kietos HRC 52. Šios formos veikia taip pat gerai kaip ir tradicinės kalimo formos ir tarnauja tris kartus ilgiau.
316L nerūdijančio plieno kietumas yra apie 20–30 HRC, tačiau pakoregavus spausdinimo nustatymus ir{3}}pastovesnį apdorojimą, jo kietumas gali būti padidintas iki daugiau nei HRC 40, tačiau jis vis tiek yra labai atsparus korozijai. Dėl to jis tinka vietoms, kuriose higiena yra labai svarbi, pavyzdžiui, maisto pakuotėms ir medicinos prietaisams.
Kietasis lydinys: WC Co (volframo karbido kobaltas) yra tipiška medžiaga, skirta ekstremalioms susidėvėjimo situacijoms, pavyzdžiui, perforavimo ir tempimo štampams. Jo kietumas yra iki 55–70 HRC ir daugiau nei 10 kartų atsparesnis dilimui- nei įrankių plienas. Tam tikra įmonė, gaminanti elektrines dalis, naudoja 3D -spausdintas tvirto lydinio formas, kad padvigubintų perforavimo dažnį – nuo ​​500 000 kartų iki 2 milijonų kartų.
3D printing can make fine-grained structures in special alloys like Inconel 718 nickel-based alloy. These structures are 20% harder than those made by traditional casting. They also stay strong at high temperatures (strength retention rate>90% 650 laipsnių kampu), todėl jie dažnai naudojami aviacinių variklių turbininių diskų formose.
2. Proceso optimizavimas: tikslus valdymas nuo „spausdinimo“ iki „formavimo“
Metalo kietumas 3D spausdinimui svarbi ne tik medžiaga, bet ir tikslus proceso parametrų valdymas. Pavyzdžiui, selektyvaus lydymo lazeriu (SLM) technologija padidina kietumą optimizuodama šiuos svarbius parametrus:
Control of energy density: The quality of the molten pool is directly affected by the strength of the laser, the speed of the scan, and the size of the spot. When the energy density is low, the material may become more porous (15% less hard when>1%), o kai jis yra didelis, gali įtrūkti. Tyrimas rodo, kad spausdinant 316L nerūdijantį plieną, kurio lazerio galia yra 150 W ir skenavimo greitis 800 mm/s, poringumas išlieka mažesnis nei 0,3%, o kietumas pasiekia HRC 38, kuris yra beveik toks pat kaip ir kaltinių.
Tarpsluoksnio sukibimo stiprumas: Stiprų metalurginį ryšį tarp sluoksnių galima sukurti pakeitus skenavimo procedūras (tokį šachmatų lentos nuskaitymą ir salelių nuskaitymą) ir sluoksnio storį (20–50 μm). Pavyzdžiui, tam tikras aviacijos verslas spausdina Ti6Al4V turbinų menčių formas, kurių sluoksnio storis yra 30 μm, o tarpsluoksnio sukibimo stiprumas yra 450 MPa, o tai yra 20% stipresnis nei ankstesni metodai.
Setting the cooling rate: Rapid cooling (>10 ^ 4 laipsniai /s) gali sukurti smulkią -grūdėtą struktūrą (pvz., martensitą), dėl kurios medžiaga tampa daug kietesnė. Naudodama L-PBF technologiją, Honkongo miesto universiteto komanda išspausdino Al Mg Mn Sc Zr lydinį. Jie naudojo nano dvigubo stiprinimo mechanizmą, kad padidintų takumo ribą iki 656 MPa, išlaikant 12% elastingumą.
3. Post-apdorojimo technologija: paskutinis žingsnis siekiant pagerinti kietumą
3D spausdinimas – dar ne pabaiga; post-apdirbimo technologija yra svarbiausia formų kietinimo dalis.
Terminis apdorojimas: grotelių struktūros keitimas atkaitinant, grūdinant arba senstant. Pavyzdžiui, pasendinus 480 laipsnių kampu, 3D spausdintos 18Ni300 martensitinio sendinimo plieno formos kietumas sumažėjo nuo HRC 38 iki HRC 52. Tai pašalino liekamąjį įtempį ir sumažino galimybę sudužti.
Kad paviršius būtų kietesnis, galite naudoti šratinį šveitimą, azotavimą arba apkalą lazeriu. Tam tikra štampavimo -liejimo formų gamintoja naudojo 3D spausdinimo H13 plienines liejimo formas. Dėl to paviršius tapo kietesnis (nuo HRC 50 iki HRC 58) ir tapo 40 % atsparesnis nusidėvėjimui.
Karštas izostatinis presavimas (HIP): naudojant aukštą slėgį (100–200 MPa) ir aukštą temperatūrą (900–1200 laipsnių), kad pašalintumėte vidines poras ir medžiagos tankis būtų beveik 100%. Inconel 718 pelėsiai, kurie buvo apdoroti HIP, yra 30% kietesni ir tarnauja penkis kartus ilgiau nei pelėsiai, kurie nebuvo apdoroti.
4. Naudojimas pramonėje: bandymai nuo laboratorijos iki gamybos linijos
Metalinių 3D spausdinimo formų kietumo nauda buvo patvirtinta keliose srityse:
„GE Aviation“ naudoja 3D -spausdintas „Inconel 718“ degalų purkštukų formas, kurių kietumas yra HRC 45. Šios formos yra 15 % lengvesnės už standartinius liejinius ir gali atlaikyti aukštą temperatūrą bei slėgį.
Automobilių gamyba: BMW grupė gamina aliuminio lydinio variklių cilindrų blokus naudodama plienines formas ir 3D spausdinimo įrankius. Formos kietumas yra HRC 50 ir tarnauja daugiau nei 100 000 kartų, o tai sumažina kiekvieno gabalo kainą 40%.
„Johnson & Johnson“ naudoja 3D-atspausdintas kobalto chromo lydinio ortopedines implantų formas, kurios yra HRC 60 kietos ir Ra<0.2 μ m rough on the surface. These moulds meet both biocompatibility and wear resistance standards.