Was ist die Nachbearbeitung beim 3D-Metalldruck? Warum ist eine Nachbearbeitung erforderlich?

一, Was Post-für den Metall-3D-Druck ist und was seine Hauptziele sind
Die Nachbearbeitung des 3D-Metalldrucks besteht aus einer Reihe von Schritten, die an gedruckten Teilen nach der additiven Metallfertigung durchgeführt werden. Zu diesen Schritten gehören das Reparieren, Optimieren und Bearbeiten der Teile, um Herstellungsfehler zu beseitigen, Leistungsindikatoren zu verbessern und die Anforderungen bestimmter Anwendungen zu erfüllen. Die Hauptziele lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Qualitätsverbesserung: Beseitigen Sie Probleme wie Verbindungsfehler zwischen den Schichten und raue Oberflächen, die die Zuverlässigkeit der Teile beeinträchtigen.
Leistungsoptimierung: Wärmebehandlung, Oberflächenmodifizierung und andere Behandlungen können wichtige Eigenschaften von Materialien wie Festigkeit, Härte und Korrosionsbeständigkeit verbessern.
Maßkorrektur: Kompensieren Sie thermische Verformungen und Schrumpfungen, die beim Drucken auftreten, um sicherzustellen, dass die Teile den Designtoleranzanforderungen entsprechen.
Funktionsintegration: Den Teilen eine komplexere Gesamtleistung verleihen, indem ihre Struktur gestärkt oder verschiedene Materialien kombiniert werden.
Beispielsweise wird in der Luft- und Raumfahrtindustrie der Metall-3D-Druck verwendet, um den allgemeinen Rahmen eines bestimmten Typs von Treibstofftanks für Raketentriebwerke herzustellen. Anschließend wird eine Behandlung mit heißisostatischem Pressen (HIP) durchgeführt, um alle inneren Poren zu entfernen. Anschließend wird die Dichtfläche durch CNC-Fräsen in Form gebracht und durch eine Eloxierungsbehandlung korrosionsbeständiger gemacht. Diese Reihe von Verfahren nach der Bearbeitung macht die Teile 30 % stärker, 40 % leichter und in der Lage, unter sehr rauen Bedingungen abzudichten.

2, Das wichtigste Technologiesystem für die Nachbearbeitung
Bei der Nachbearbeitung des 3D-Metalldrucks gibt es vier technologische Module: Materialentfernung, Wärmebehandlung, Oberflächenbehandlung und Strukturverstärkung. Jedes Modul ist Teil einer größeren Lösung, die für verschiedene Situationen funktioniert.

1. Materialabtrag: Präzises Schnitzen von „grob“ bis „fein“
3D-Druckartikel aus Metall können oft nicht sofort verwendet werden, da sie noch Stützstrukturen und raue Oberflächen aufweisen (Ra-Werte können bis zu 10–20 μm betragen). Die Materialentfernungstechnik nutzt mechanische Bearbeitung, Laserschneiden oder chemische Korrosion, um Folgendes zu erreichen:

Um die Stützstruktur zu entfernen, verwenden Sie kryogen-unterstützte Schäl- oder mechanische Schneidwerkzeuge, um sicherzustellen, dass die Stützstruktur vollständig entfernt wird, ohne das gedruckte Objekt zu beschädigen. Beispielsweise wird ein bedruckter Abschnitt einer Autoradnabe bei niedrigen Temperaturen eingefroren, wodurch die Trägerstruktur brüchig wird und sich leichter ablösen lässt. Dies erhöht die Effizienz um 50 %.
Endbearbeitung der Oberfläche: Durch CNC-Fräsen, Schleifen oder Polieren kann die Oberflächenrauheit weniger als Ra0,8 μm betragen. Ein Bearbeitungszentrum mit fünf-Achsenverbindungen wurde zum Hochglanzpolieren der Oberfläche des Strömungskanals nach dem Drucken der Schaufeln eines bestimmten Flugzeugtriebwerks eingesetzt. Dadurch wurde der Luftstromwiderstand um 15 % reduziert.
Größenkorrektur: Verwenden Sie ein Koordinatenmessgerät, um Rückmeldungen zu erhalten und eventuelle Größenänderungen, die während des Drucks auftreten, durch mechanische Bearbeitung zu korrigieren. Die Mikrofrästechnologie hält die Maßgenauigkeit eines gedruckten Implantats für medizinische Geräte innerhalb von ± 0,01 mm, was für die chirurgische Insertion erforderlich ist.
2. Wärmebehandlung: ein Game-Changer bei der Steuerung der Mikrostrukturleistung
Durch die Wärmebehandlung werden Eigenspannungen, die sich beim Drucken aufbauen (bis zu 50 % bis 70 % der Streckgrenze des Materials), beseitigt und die Kornstruktur des Materials durch Regulierung der Heiz- und Abkühlkurve verbessert. Einige gängige Methoden sind:

Glühbehandlung: Erhitzen Sie den Teil unter die Temperatur, bei der er rekristallisieren kann, und halten Sie ihn warm, um innere Spannungen abzubauen und ihn flexibler zu machen. Die Vakuumglühbehandlung reduzierte die Restspannung um 80 % und verdreifachte die Ermüdungslebensdauer eines orthopädischen Implantats aus Titanlegierung nach dem Drucken.
Mischkristall- und Alterungsbehandlung: Bei Materialien wie Hochtemperaturlegierungen auf Nickel--Basis wird durch die Mischkristallbehandlung die Verfestigungsphase aufgelöst und durch die anschließende Alterungsbehandlung bilden sich feine Ausscheidungen, die die Hochtemperaturfestigkeit erheblich erhöhen. Nach dem Drucken der Turbinenscheibe für ein bestimmtes Flugzeugtriebwerk verbesserten Festlösungs- und Alterungsbehandlungen deren Kriechbeständigkeit bei 650 Grad um 40 %.
Beim heißisostatischen Pressen (HIP) werden sowohl hohe Temperaturen (normalerweise das 0,7- bis 0,9-fache des Schmelzpunkts des Materials) als auch hoher Druck (100 bis 200 MPa) verwendet, um innere Poren zu beseitigen und das Material dichter zu machen. Nach dem Drucken eines bestimmten Teils einer Satellitenstruktur erhöhte die HIP-Verarbeitung die Dichte von 99,2 % auf 99,95 % und die Ermüdungsgrenze um 25 %.
3. Oberflächenbehandlung: Von der „Funktionalisierung“ zur „Intelligentisierung“ in der Oberflächentechnik
Durch die Modifizierung der Oberflächenmorphologie oder der chemischen Zusammensetzung von Objekten verleiht die Oberflächenbehandlungstechnologie diesen spezifische Eigenschaften, darunter Korrosionsbeständigkeit, Verschleiß und Biokompatibilität. Einige gängige Technologien sind:

Sandstrahlen und Polieren: Beim Sandstrahlen treffen sich schnell -bewegte Sandpartikel auf die Oberfläche, wodurch diese gleichmäßig aufgeraut wird (Ra3,2–6,3 μm) und die Beschichtung besser haftet. Durch das Polieren wird die Oberfläche dann noch glatter, unter Ra0,4 μm, um optische oder Versiegelungsanforderungen zu erfüllen.
Galvanisieren und chemisches Plattieren sind zwei Möglichkeiten, Metall- oder Legierungsschichten auf die Oberfläche von Gegenständen aufzutragen, um diese widerstandsfähiger gegen Rost zu machen oder den Strom besser zu leiten. Eine Vernickelungsbehandlung reduzierte die Korrosionsrate in einer 3,5 %igen NaCl-Lösung nach dem Drucken eines bestimmten Schiffsbauteils um 90 %.
Laserauftragschweißen: Ein hochenergetischer Laserstrahl schmilzt Legierungspulver und bildet eine 0,1–5 mm dicke Beschichtung auf der Oberfläche des Gegenstands. Dadurch ist es wesentlich verschleißfester. Das Laserauftragen einer Stellite-6-Legierungsbeschichtung erhöhte die Verschleißfestigkeit der Zahnräder einer bestimmten Bergbauausrüstung nach dem Drucken um das Fünffache.
Mikrolichtbogenoxidation: Ein keramischer Oxidfilm wird auf die Oberfläche von Aluminium- und Magnesiumlegierungen aufgetragen, um sie widerstandsfähiger gegen Verschleiß und Korrosion zu machen. Durch die Mikrolichtbogenoxidationsbehandlung wurde die Korrosionsbeständigkeit im Salzsprühtest nach dem Drucken der Halterung für ein Batteriepaket eines neuen Energiefahrzeugs auf über 1000 Stunden erhöht.
4. Strukturelle Stärkung: Änderung der Leistung von „Einzelmaterial“ zu „Verbundstruktur“
Durch das Hinzufügen von Verstärkungsphasen oder die Verbesserung der Lastübertragungswege sorgt die Strukturverstärkungstechnologie dafür, dass Teile insgesamt mechanisch besser funktionieren. Einige gängige Methoden sind:

Faserverstärkung: Einbringen von Kohlenstoff- oder Keramikfasern in eine Metallmatrix zur Herstellung einer Verbundwerkstoffstruktur. Nach dem Drucken wurde ein bestimmter Teil der Flugzeugstruktur durch das Hinzufügen kurz geschnittener Kohlefasern verstärkt, wodurch die spezifische Festigkeit um 30 % erhöht wurde.
Materialien mit Farbverläufen gestalten: Sie können die Eigenschaften des Materials variieren, indem Sie die Pulvermischung oder die Druckparameter ändern. Die gedruckten Teile eines Kernkraftventils haben eine Gradientenstruktur aus rostfreiem legiertem Stahl auf Nickelbasis-. Dies macht sie 40 % widerstandsfähiger gegen Ermüdung in einer thermisch-mechanischen Kopplungsumgebung.
Entwurf von Gitterstrukturen: Mithilfe der Topologieoptimierung können leichte Gitterstrukturen hergestellt werden, die mehr als 50 % leichter und dennoch stabil sind. Nach dem Drucken einer bestimmten Satellitenhalterung erhält diese eine tetraedrische Gitterstruktur, wodurch sie doppelt so steif und 60 % leichter ist.
3. Die Notwendigkeit einer Nachbearbeitung: ein Sprung von der „technischen Machbarkeit“ zur „technischen Zuverlässigkeit“
Der Bedarf an Nachbearbeitung im 3D-Metalldruck ergibt sich aus dem Konflikt zwischen den grundlegenden Merkmalen der additiven Fertigungstechnologie und den strengen Anforderungen technischer Anwendungen. Konkret wird seine Notwendigkeit in folgenden Aspekten gesehen:

1. Beseitigen Sie Produktionsfehler und stellen Sie sicher, dass das Produkt ordnungsgemäß funktioniert.
Thermischer Stress durch schnelles Erhitzen und Abkühlen, Poren, die sich bilden, wenn das Pulver nicht vollständig verschmilzt, und eine schwache Zwischenschichtbindung können dazu führen, dass die Teile weniger haltbar sind und während des Metall-3D-Druckprozesses eher brechen. Beispielsweise kann die Ermüdungsgrenze von gedruckten Teilen aus einer Hochtemperaturlegierung auf Nickel--Basis ohne HIP-Behandlung weniger als 50 % derjenigen von geschmiedeten Teilen betragen; Nach dem Glühen zum Entfernen von Restspannungen kann die Ermüdungslebensdauer des Schmiedeteils jedoch 80 % überschreiten.

2. Leistungsziele erreichen und das Anwendungsspektrum erweitern
Die Anforderungen an die Teileleistung variieren je nach Anwendung stark. In der Luft- und Raumfahrtindustrie müssen Teile in Umgebungen mit hohen Temperaturen, hohem Druck und starken Vibrationen gut funktionieren. Im Bereich medizinischer Geräte müssen Teile biokompatibel und beständig gegen Korrosion durch Körperflüssigkeiten sein. Der Automobilindustrie geht es mehr darum, Teile leichter und billiger zu machen. Durch die Nachbearbeitungstechnologie können 3D--gedruckte Metallartikel diese spezifischen Anforderungen erfüllen, indem sie für diese Zwecke optimiert werden. Beispielsweise kann die Brennkammer eines bestimmten Typs von Flugzeugtriebwerken dank Wärmebehandlung und Beschichtungsbehandlung auch bei einer hohen Temperatur von 1200 Grad nach dem Drucken noch strukturell einwandfrei sein. Nach dem Drucken eines maßgeschneiderten orthopädischen Implantats aus Titanlegierung wurde die Oberflächenrauheit durch eine Säurewasch-Polierbehandlung auf Ra0,2 μm reduziert, was die Adhäsion von Knochenzellen erheblich verbesserte.

3. Machen Sie die Wirtschaft effizienter und fördern Sie umfangreiche Nutzungen
Der Metall-3D-Druck ist für die Herstellung komplizierter Strukturen günstiger, aber die Kosten für die Rohstoffe (z. B. Titanlegierungspulver, das mehrere Hundert Yuan pro Kilogramm kostet), die Wertminderung der Ausrüstung und die verbrauchte Energie sind immer noch recht hoch. Die Nachbearbeitungstechnologie senkt die Gesamtlebenszykluskosten, indem sie Materialien besser nutzt (z. B. mehr als 80 % des Pulvers zurückgewinnt), die Ausschussrate senkt (z. B. die Fehlerrate durch Online-Erkennung und Korrektur in Echtzeit senkt) und die Lebensdauer von Teilen verlängert (z. B. indem sie Teile durch Oberflächenbehandlung korrosionsbeständiger macht). Beispielsweise konnte eine bestimmte Produktionslinie für den Druck von Autoradnaben die Zeit, die für die Herstellung eines Stücks benötigt wird, von 8 Stunden auf 2 Stunden verkürzen, indem ein automatisches Nachbearbeitungssystem hinzugefügt wurde. Dies hat zu einer Gesamtkosteneinsparung von 35 % geführt.