Was sind die häufigsten Schwierigkeiten bei der Nachbearbeitung von 3D-Metalldrucken?

1. Kontrolle der Oberflächenrauheit: Vom „Rohling“ zum „Fertigprodukt“
Da der Metall-3D-Druck schichtweise aufbaut, weist die Oberfläche eine stufenförmige Struktur mit einer Rauheit (Ra-Wert) auf, die üblicherweise zwischen 6 und 12 μm liegt. Dies ist wesentlich rauer als die herkömmliche Bearbeitung, die einen Rauheitswert von 0,8 bis 1,6 μm aufweist. Beispielsweise muss die Rauheit der Innenwand des Kühlkanals für Flugzeugtriebwerksschaufeln unter 3 μm gehalten werden, da sonst die Wirksamkeit der Wärmeübertragung stark beeinträchtigt wird.
Probleme mit der Technik:
Verbleibende Stützstruktur: Die Stützstruktur, die während des Druckens aufgebracht wird, um zu verhindern, dass sich die Form verändert, kann nach dem Entfernen Vertiefungen oder Beulen auf der Oberfläche hinterlassen.
Pulveranhaftung: Wenn Pulverpartikel nicht vollständig schmelzen, bleiben sie an der Oberfläche haften, was als „Sphäroidisierung“ bezeichnet wird.
Spuren der Zwischenschichtverklebung: Dort, wo sich Laserscanpfade kreuzen, können sich kleine Unebenheiten bilden.
Antwort:
Chemisches Polieren: Durch selektives Auflösen der Oberflächenschicht mit sauren oder alkalischen Lösungen kann diese glatter als 1 μm werden. Sie müssen jedoch sehr vorsichtig sein, wie lange Sie sie in der Lösung belassen, um zu starke Korrosion zu vermeiden.
Sandstrahlbehandlung: Eine gleichmäßig matte Oberfläche entsteht, indem ein Sandstrahl mit hoher -Geschwindigkeit auf die Oberfläche trifft. Dies ist gut für komplizierte Innenhohlraumkonstruktionen, kann aber auch zu neuen Oberflächenfehlern führen.
Elektrolytisches Polieren: Diese Methode nutzt elektrochemische Prinzipien, um die Oberfläche auf mikroskopischer Ebene zu glätten. Es kann einen Spiegeleffekt erzeugen (Ra<0.1 μ m), but the equipment is expensive.
2. Behebung interner Fehler: der Schlüssel, um die Dinge dichter und besser zu machen.
Das Innere von 3D-gedruckten Metallteilen weist normalerweise eine Porosität von 0,1 % bis 5 % auf. Diese winzigen Fehler können zur Bildung von Rissen führen, was die Ermüdungslebensdauer der Teile erheblich verkürzt. Beispielsweise können Implantate aus Titanlegierungen mit einer Porosität von mehr als 0,5 % möglicherweise nicht in den Knochen integriert werden.
Probleme mit der Technik:
Poren: Wenn die Laserintensität zu gering ist oder das Pulver zu viel Sauerstoff enthält, kann das Schmelzbad aufbrechen.
Unzureichende Verschmelzung: schwache Bindung zwischen den Schichten, was zu Mikroschichtbildung führt.
Riss: Ein heißer oder kalter Riss, der entsteht, wenn sich Eigenspannung aufbaut.
Antwort:
Heißisostatisches Pressen (HIP): Das Material wird großem Druck (100–200 MPa) und Hitze (900–1200 Grad) ausgesetzt. Dadurch verändert es seine Form, schließt innere Poren und erhöht seine Dichte auf über 99,9 %. Beispielsweise hat die HIP-Behandlung die Ermüdungslebensdauer von Kraftstoffeinspritzdüsen in LEAP-Triebwerken von GE Aviation verdreifacht.
Lokale Infiltration: Die Vakuumimprägnierungsmethode füllt wichtige Bereiche metallbasierter Verbundwerkstoffe aus und eignet sich daher gut für die Befestigung dünnwandiger Strukturen.
Laser-Umschmelzen: Ein zweiter Scan von Bereichen mit Oberflächen- oder Innendefekten kann zur Verbesserung der Körnung beitragen, kann aber auch zu neuen thermischen Spannungen führen.
3. Umgang mit Restspannungen: Systemtechnik zur Kontrolle der Verformung
Beim 3D-Drucken von Metall kann die thermische Belastung durch schnelles Erhitzen und Abkühlen 50 bis 80 % der Streckgrenze des Materials erreichen. Dies kann dazu führen, dass sich Teile verziehen, brechen oder ihre Form ändern. Eigenspannungen können bei großen Rahmenkonstruktionen zu Verformungen von mehreren Millimetern führen, was deutlich über dem zulässigen Maß liegt.
Probleme mit der Technik:
Ungleichmäßige Spannungsverteilung: Komplexe geometrische Formen verursachen große Änderungen der Temperaturgradienten.
Substrateinschränkungseffekt: An der Stelle, an der die Komponente auf das Substrat trifft, baut sich Spannung auf, die leicht zu einer Delaminierung zwischen den Schichten führen kann.
Herausforderung beim Multimaterialdruck: Die Tatsache, dass sich verschiedene Materialien unterschiedlich schnell ausdehnen, führt dazu, dass sich Spannungen schneller aufbauen.
Antwort:
Erhitzen Sie das Substrat vor dem Drucken auf 200 bis 500 Grad Celsius, um den Temperaturunterschied zu verringern. Beispielsweise verfügen die Maschinen der Precision-Serie von Yunyao Shenwei über eine 500-Grad-Substratvorheizfunktion, die das Risiko von Rissen in gedruckten Teilen aus Titanlegierung verringert.
Optimierung der Scan-Strategie: Verwenden Sie „Insel-Scanning“ oder „Schachbrett-Scanning“, um den Wärmeeintrag zu verteilen und zu verhindern, dass es an einer Stelle zu heiß wird.
Spannungsarmglühen: Nach dem Drucken erfolgt eine Isolationsbehandlung bei 600–700 Grad, um mehr als 80 % der noch vorhandenen Spannungen zu beseitigen.
4. Garantie der Maßhaltigkeit: ein Fortschritt vom „ungefähren Formen“ zum „Nettoformen“
Der Metall-3D-Druck ist normalerweise auf ± 0,1 mm genau, aber für Teile, die sehr präzise sein müssen, wie z. B. Uhrräder, ist eine weitere Bearbeitung erforderlich. Es ist jedoch sehr schwierig, mit komplizierten inneren Hohlraumstrukturen wie Gitterstrukturen zu arbeiten, und Standardfräsen oder Funkenerosion (EDM) könnten die innere Struktur beschädigen.
Probleme mit der Technik:
Schrumpfungsverformung: Wenn Metall abkühlt, schrumpft sein Volumen, wodurch sich die Abmessungen ändern.
Beeinträchtigung durch Stützstrukturen: Restunterstützung erschwert das Auffinden der Bearbeitungsreferenzebene.
Dünnwandige Strukturen sind nicht steif genug, sodass Verarbeitungsvibrationen leicht zum Bruch von Werkzeugen führen können.
Antwort:
Kompensation entwerfen: Stellen Sie den Schrumpfungsbetrag im CAD-Modell vorab ein (normalerweise zwischen 0,2 % und 0,5 %) und überprüfen Sie die Korrektur, indem Sie ihn mehrmals ausdrucken.
Fünf-Achsen-Verbindungsbearbeitung: Die LASERTEC 65 3D-Ausrüstung von DMG MORI ist ein Beispiel für eine mehrachsige CNC-Werkzeugmaschine, die gleichzeitig drucken und fräsen kann.
Die elektrochemische Bearbeitung (ECM) ist eine Methode zum Entfernen von Materialien, ohne dass mechanische Schneidkräfte erforderlich sind. Es eignet sich gut für die Präzisionsbearbeitung dünnwandiger Strukturen.
5. Kompatibilität mit mehreren Materialien: Das Problem bei funktional abgestuften Materialien
Der Metall-3D-Druck bewegt sich langsam in Richtung Multi-Material-Verbundwerkstoff, um den Anforderungen an geringes Gewicht, Korrosionsbeständigkeit und Leitfähigkeit gerecht zu werden. Da verschiedene Materialien jedoch unterschiedliche Schmelzpunkte und Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, ist die Bindungsfestigkeit zwischen ihnen nicht stark genug, was schnell zu Delamination oder Rissen führen kann.
Probleme mit der Technik:
Kreuzkontamination-von Pulver: Restpulver in Fächern für den Druck mit mehreren Materialien beeinträchtigt die Reinheit der Materialien.
Prozessparameterkonflikt: Unterschiedliche Materialien müssen mit unterschiedlicher Laserleistung, Scangeschwindigkeit und anderen Einstellungen abgestimmt werden.
Die Leistungsfähigkeit der Grenzfläche verschlechtert sich: Dort, wo unterschiedliche Materialien aufeinandertreffen, kommt es schnell zu spröden Phasen.
Antwort:
Modulares Pulverversorgungssystem: Die Geräte der RESEARCH-Serie von Yunyao Shenwei verfügen beispielsweise über unabhängige Pulverversorgungstanks, mit denen Sie zwischen verschiedenen Materialschichten wechseln können.
Vorbehandlung der Schnittstelle: Verwenden Sie Laserreinigung oder Plasmaspritzen, um die Haftung der Schnittstelle zu verbessern.
Numerische Simulationsoptimierung: Verwenden Sie ANSYS- oder COMSOL-Software, um zu modellieren, wie die thermischen und mechanischen Eigenschaften verschiedener Materialien während des Druckprozesses interagieren. Dies wird Ihnen helfen, die richtigen Parameter festzulegen.
6. Das richtige Gleichgewicht zwischen Kosten und Effizienz finden: Das größte Problem bei der Produktion im großen Maßstab
Der Metall-3D-Druck kostet 30 bis 70 % der Gesamtkosten eines Produkts und die Verarbeitungszeit ist lang (normalerweise das Zwei- bis Fünffache der Druckzeit), was den Einsatz in der Massenproduktion erschwert. Beispielsweise kostet das herkömmliche Gussverfahren für den Zylinderblock eines Automotors etwa 500 Yuan pro Stück. Die Kosten für 3D-Druck und Nachbearbeitung könnten dagegen mehr als 3.000 Yuan betragen.
Probleme mit der Technik:
Hohe Ausrüstungskosten: Hochwertige Fünf-Achsen-Bearbeitungszentren kosten mehr als 5 Millionen Yuan, während HIP-Geräte bis zu 20 Millionen Yuan kosten können.
Länge der Prozesskette: Sie müssen eine Reihe von Schritten der Reihe nach ausführen, z. B. Erhitzen, Draht abschneiden, Träger entfernen, Polieren und erneut polieren.
Geringer Automatisierungsgrad: Für die Nachbearbeitung komplexer Teile ist immer noch manuelle Arbeit erforderlich, was die Effizienz beeinträchtigt.
Antwort:
Intelligente Integration von Produktionslinien: Verbinden Sie 3D-Drucker, Wärmebehandlungsöfen und Bearbeitungszentren mithilfe von AGV-Wagen, sodass der gesamte Prozess automatisch abläuft. Beispielsweise bietet die BLT-S800-Ausrüstung von Platinum Technology integrierte-Funktionen zur Online-Erkennung und adaptiven Verarbeitung.
Additive Fertigung: Um die Anzahl der Schritte nach dem Drucken zu reduzieren, synchronisieren Sie die Teilbearbeitung während des Druckprozesses. Die INTEGREX i-400AM-Maschinen von Mazak können zwischen Laserauftragschweißen und Fräsen wechseln.
Digitale Prozessplanung: Mit Siemens NX- oder Magics-Software den besten Bearbeitungspfad finden und Leerlaufzeiten reduzieren.