Warum bestimmt die Nachbearbeitung die endgültige Qualität von 3D-gedruckten Metallteilen?

1. Behebung metallurgischer Mängel: von „locker und porös“ bis „dicht und makellos“
Der 3D-Druck von Metall weist auf winziger Ebene inhärente Mängel auf, da es schnell schmilzt und erstarrt.

Porositätsproblem: Beim SLM-Verfahren (Selective Laser Melting) können sich im Inneren des Teils Mikroporen bilden, wenn das Pulver nicht vollständig verschmilzt oder Gas eingeschlossen ist. Dies kann passieren, wenn die Porosität zwischen 0,5 % und 1 % liegt. Diese Poren sind der erste Ort, an dem Ermüdungsrisse auftreten, wodurch das Brechen der Teile deutlich geringer wird. Beispielsweise beträgt die durchschnittliche Bruchlebensdauer der Turbinenschaufeln eines bestimmten Flugzeugtriebwerks nur 13 Stunden bei 650 Grad und 690 MPa, wenn sie nicht nachbehandelt werden. Nach der Behandlung mit isostatischem Heißpressen (HIP) verbesserte sich die Bruchlebensdauer jedoch auf 131 Stunden, was den Designanforderungen entsprach.
Kontrolle der Restspannung: Eine ungleichmäßige Abkühlung des Materials während des Druckens kann dazu führen, dass sich im Inneren des Teils Restspannung aufbaut, die dazu führen kann, dass es sich verbiegt, bricht oder nicht mehr gleichmäßig zusammenpasst. Beispielsweise könnte die Eigenspannung in der Titanlegierung Ti6Al4V an den Ecken höher sein als die Streckgrenze. Wenn es nicht geglüht wird, ist es wahrscheinlich, dass das Phänomen der „Kantenexplosion“ bei der anschließenden Bearbeitung auftritt; Das Glühen bei 800–900 Grad erhöht die Verarbeitungsstabilität erheblich.
Wichtige Schritte bei der Nachbearbeitung-:

Heißisostatisches Pressen (HIP): Wenn Materialien auf sehr hohe Temperaturen (typischerweise zwischen 900 und 1200 Grad) und sehr hohe Drücke (100 und 200 MPa) erhitzt werden, schließen sich ihre inneren Löcher, wodurch sie fast doppelt so dicht werden.
Glühen zum Spannungsabbau: Durch langsames Aufheizen und Abkühlen der Haltezyklen werden Restspannungen abgebaut, um die Abmessungen stabiler zu machen. Beispielsweise wird nach dem Erhitzen auf 300 Grad die Eigenspannung in AlSi10Mg-Aluminiumlegierungsteilen um 80 % reduziert und die Verformung wird auf innerhalb von 0,1 mm gehalten.
2. Leistungsverbesserung: Von „Anisotropie“ zu „Omnidirektionaler Balance“
Die Eigenschaften des 3D-Drucks zwischen den Schichten führen dazu, dass die mechanischen Eigenschaften in verschiedenen Richtungen unterschiedlich sind (Anisotropie). Die Nachbearbeitung kann die Leistung durch Kontrolle des Gewebes ausgleichen:

Kornverfeinerung: Die Flexibilität und Zähigkeit des Materials kann durch die groben säulenförmigen Kristalle verringert werden, die entstehen, wenn die Substanz nach dem Drucken schnell abkühlt. Die Kornverfeinerung und die Ausfällung von Festigungsphasen können durch Lösungsbehandlung (z. B. 1080-Grad-Lösungsbehandlung der Hochtemperaturlegierung Inconel 718) und Alterungsbehandlung (Alterung bei 550 Grad für 8 Stunden) beschleunigt werden. Dadurch kann die Zugfestigkeit auf über 1300 MPa gesteigert werden.
Härtesteigerung: Durch das Abschrecken wird das Material schnell abgekühlt, wodurch eine martensitische Struktur entsteht, die die Oberfläche deutlich härter macht. Nach dem Abschrecken bei 1050 Grad steigt die Härte der 316L-Edelstahlteile von 180HV auf 350HV und die Teile sind dreimal widerstandsfähiger gegen Verschleiß.
Wichtige Schritte bei der Nachbearbeitung-:

Wärmebehandlungspaket: Eine benutzerdefinierte „Glühen+Lösung+Alterung“-Methode für jedes Material, wie „800-Grad-Glühen+550 Grad-Alterung“ für Ti6Al4V, die gleichzeitig Festigkeit und Zähigkeit verbessern kann.
Durch chemisches Erhitzen der Oberfläche des Teils, beispielsweise durch Nitrieren und Aufkohlen, entsteht eine harte Beschichtung, die es verschleißfester macht. Nach der Nitrierbehandlung kann die Oberflächenhärte von Getriebeteilen 600 HV überschreiten und die Teile können fünfmal länger halten.
3, Kontrolle der Maßgenauigkeit: vom „umfangreichen Formen“ bis zur „Präzisionsmontage“
Die meisten 3D-Druckprodukte aus Metall haben zunächst eine Maßgenauigkeit von ± 0,1 mm, was es schwierig macht, die Anforderungen einer Präzisionsmontage zu erfüllen. Durch die maschinelle Bearbeitung kann die Nachbearbeitung jedoch auf den Mikrometer genau erfolgen.

Korrektur kritischer Abmessungen: Die CNC-Bearbeitung muss verwendet werden, um Toleranzen in den Positionen zu verwalten, die Dichtungs-, Verbindungs- und Bewegungspaare umfassen. Beispielsweise muss die Passfläche eines hydraulischen Ventilkörperteils auf fünf Achsen bearbeitet werden, um die Maßgenauigkeit von ± 0,05 mm auf ± 0,01 mm zu verbessern.
Entfernen der Stützstruktur: Die beim Drucken hinzugefügte Stützstruktur hinterlässt bestimmte Spuren, die sorgfältig durch elektrolytische Bearbeitung oder Laserschneiden entfernt werden müssen, damit die Hauptstruktur nicht beschädigt wird.
Wichtige Vorgehensweise zur weiteren Bearbeitung:

Präzisionsbearbeitung: Einsatz von Ultra-Präzisionsschleifen, Funkenerosion (EDM) und anderen Methoden, um Genauigkeitsstufen von IT5 bis IT7 zu erreichen.
Dinge online finden und beheben: Ein Koordinatenmessgerät (KMG) liefert Echtzeitdaten zu Maßabweichungen, sodass Verarbeitungsparameter geändert werden können und die Serienproduktion konsistent sein kann.
4. Bessere Oberflächenqualität: von „rauer Schichtung“ bis zu „spiegelähnlicher Glätte“
Die Oberflächenrauheit (Ra) beim Metall-3D-Druck liegt normalerweise zwischen 8 und 12 μm und ist damit wesentlich höher als die 0,8 bis 3,2 μm bei der herkömmlichen Bearbeitung. Durch die Nachbearbeitung kann die Oberfläche mithilfe physikalischer und chemischer Methoden geglättet werden:

Getrieben durch funktionale Anforderungen: Im Bereich medizinischer Geräte muss die Oberflächenrauheit unter Ra gehalten werden<0.8 μ m to keep germs from sticking; in the field of optics, surface roughness must be below Ra<0.1 μ m to meet the need for transmittance.
Korrosionsschutz: Auf rauen Oberflächen können korrosive Substanzen schneller eindringen. Daher müssen sie poliert oder galvanisiert werden, um eine dicke Schutzschicht zu erhalten. Nach dem elektrolytischen Polieren können Teile der Schifffahrtstechnik beispielsweise nun 500 Stunden statt nur 24 Stunden Salzsprühkorrosion widerstehen.
Wichtige Nachbearbeitungsmethoden-:

Mechanisches Polieren: Der Ra-Wert wird durch den Einsatz von Methoden wie Sandbandschleifen und magnetorheologischem Polieren auf weniger als 0,4 μm gesenkt.
Durch chemisches Plattieren oder Galvanisieren werden Metallschichten wie Nickel und Chrom auf die Oberfläche von Objekten aufgebracht, um ihnen ein besseres Aussehen zu verleihen und sie vor Rost zu schützen. Beispielsweise beträgt der Glanz eines bestimmten Autoschmucks nach der chemischen Vernickelung mehr als 90 %.