Kan metall 3D-utskriftsformer oppnå batchkonsistens?

一, Hovedproblemet med batch-konsistens er "diskontinuiteten" mellom laboratoriet og verkstedet.
Det grunnleggende prinsippet i metall 3D-utskriftsprosessen er "lag for lag smelting og stabling", som omfatter ulike flerdimensjonale aspekter, inkludert laserenergiregulering, pulverfordelingsuniformitet og temperaturgradientkontroll. I laboratoriemiljøer er det enkelt å skrive ut enkeltformer av høy-kvalitet ved hjelp av presisjonsteknologi og begrenset plass. Når det gjelder masseproduksjon, blir imidlertid følgende problemer store variabler som begrenser konsistensen:
Materialsvingninger: Forskjeller i metallpulverbatcher, som størrelsesfordelingen til partiklene, mengden oksygen og mengden urenheter, har direkte innvirkning på hvor godt metallet flyter og stivner under smelteprosessen. Dette kan føre til størrelses- eller ytelsesforskjeller i samme designmodell når det skrives ut i forskjellige partier. For eksempel, hvis oksygennivået i titanlegeringspulver øker med 0,01 %, kan dets evne til å motstå tretthet gå ned med 5 % til 10 %.
Lite prosessvindu: Endringer i laserkraft, skannehastighet og lagtykkelse på bare noen få prosent (slike ± 1 % effektendringer) kan indusere sprekker, porøsitet eller deformasjon. For eksempel må veggtykkelsen til de interne kjølekanalene til turbinblader til flymotorer holdes mellom 0,3 og 0,5 mm. Hvis noen av disse parameterne endres, kan kanalene bli blokkert eller strukturen svikte.
Utstyrsstabilitet: Ettersom utskriftstidene blir lengre, vil problemer med aldrende utstyr, inkludert laserenergitap, speilskanningsnøyaktighetsdrift og endringer i støpehulromstemperaturen sakte øke til flere feil. En internasjonal standardgruppe gjorde en test som viste at dimensjonsnøyaktigheten til trykte materialer kunne falle fra ± 20 μm til ± 50 μm etter at en enkelt enhet har kjørt i 500 timer i strekk.
Usikkerhet etter prosessering: Former må ofte sandblåses og poleres etter at de er laget for å oppfylle standarder for overflateruhet som Ra mindre enn eller lik 0,8 μm. Denne metoden kan forårsake nye dimensjonale feil, spesielt i mikrostrukturer som grenkanaler i konforme vannveier, som standard maskinering ikke alltid kan sikre at er de samme.
2, teknologisk gjennombrudd: skape en mekanisme for full kjedekontroll som garanterer konsistens
Industrien har sakte bygget en teknologisk barriere for batch-konsistens ved å jobbe sammen i fire dimensjoner om "maskinvare, programvare, prosess og materialer." Ved å bruke ledende selskaper som Yunyao Shenwei som eksempler, kan løsningene deres grupperes i tre hovedkategorier:
1. Maskinvarestabilitet: Løser problemer ved kilden
Høy-presisjons pulverspredningssystem: bruker et -berøringsfritt pulverbytte og integrert sylinderbyttedesign for å forhindre at pulver blandes. Renheten til pulveret har gått opp til mer enn 99,9 % takket være vibrasjonsskjerming og teknologier for fjerning av urenheter i magnetfelt. For eksempel kan Yunyao Shenweis maskiner konsekvent kontrollere tykkelsen på hvert lag til innenfor 2–10 μm, og sørge for at pulveret sprer seg jevnt i hvert lag til innenfor ±5 μm.
Lukket-sløyfekontroll av laserenergi: Ved å bruke sanntid-overvåking av laserkraft, punktform og energifordeling, sammen med dynamiske kompensasjonsalgoritmer, holdes energiendringer innenfor ± 0,5 %. Et bestemt selskap produserte et ti-lasersynkront skanningssystem som ikke bare gjør utskrift fem ganger raskere enn vanlig utstyr, men som også senker overflateruheten til Ra mindre enn eller lik 1,6 μm ved å optimalisere punktoverlapping.
Miljøkontrollsystem: Den har en temperaturkontrollmodul for flere-soner og et sirkulasjonssystem for inertgass i formhulen. Den holder temperaturgradienten innenfor ± 2 grader og oksygenkonsentrasjonen under 50 ppm, noe som stopper vridningsdeformasjon forårsaket av termisk stress.
2. Prosessoptimalisering: fra erfaring-basert til databasert-
Bibliotek med parametere og prosesssimulering: Lag et bibliotek med prosessparametere som inkluderer vanlige materialer som titanlegering og formstål. Bruk deretter endelig elementanalyse (FEA) for å simulere hvordan det smeltede bassenget vil oppføre seg over tid, forutsi hvordan det vil deformeres og forbedre støttestrukturer. For eksempel brukte ett selskap simulering for å redusere utskriftsforvrengningen av drivstoffdyser fra flymotorer fra 0,8 mm til 0,2 mm.
Nettbasert overvåking og tilbakemelding i en lukket sløyfe: Bruk-høyhastighetskameraer og infrarøde termometre under utskriftsprosessen for å få viktig informasjon som formen på smeltebassenget og temperaturfeltfordelingen i sanntid. Bruk maskinlæringsalgoritmer for å endre skanneveier og strøminnstillinger mens du er på farten. Yunyao Shenweis intelligente prosessbibliotek har kombinert mer enn 100 000 sett med materialegenskaper. Med bare ett klikk kan den finne den beste utskriftsløsningen, noe som gjør størrelseskonsistensen bedre til innenfor ± 10 μm.
Utskrift med mer enn én type materiale: For å møte de funksjonelle behovene til forskjellige deler av formen, som slitestyrke og termisk ledningsevne, må du forbedre utskriftsteknologien for gradientmateriale. For eksempel legges et lag av kobberlegering med utmerket termisk ledningsevne på overflaten av en konform kanal, mens hovedstrukturen er konstruert av høy-titaniumlegering. Dette gjøres ved å bruke teknologi for materialgrensesnittbehandling for å skape et sømløst bånd.
3. Kvalitetssporbarhet: fra kontroll av ett element til kontroll av hele prosessen
Digital Twin: Lag virtuelle modeller for hver enhet, hold oversikt over arbeidstilstanden og utskriftsinnstillingene til faktisk utstyr i sanntid, og bruk datatvillingteknologi for å varsle om mulige problemer før de oppstår. Denne teknologien har hjulpet en bedrift med å kutte utstyrsstans med 40 % og øke utskriftsresultatet til 98,5 %.
Et komplett sporbarhetssystem for prosesskvalitet som inkluderer håndtering av pulverpartier, holde øye med utskriftsprosessen og testing av det ferdige produktet, som alle utgjør en lukket-sløyfe-datakjede. Hver form har for eksempel sin egen digitale etikett som kan skannes for å finne utskriftsutstyr, parameterinnstillinger, pulverbatch og testrapport. Dette gjør det enkelt å finne feil og holde folk ansvarlige.
Standarder for standardiserte tester: Bidra til å lage internasjonale standarder for ting som mekaniske egenskaper (som strekkstyrke og utmattingslevetid), dimensjonsnøyaktighet (som CT-skanning tre-dimensjonal avviksanalyse), overflatekvalitet (som måling av interferometer for hvitt lys) og mer. Dette vil hjelpe industrien til å vokse på en standardisert måte.
3, Industrialization Practice: Big scale Application from Aviation to Healthcare
Vi må teste den virkelige verdien av teknologiske fremskritt ved å bruke dem i industrien. Akkurat nå kan 3D-utskriftsformer av metall lage grupper med produkter som er konsistente i mange avanserte felt:
Luftfart: COMAC C929 bruker SLM-teknologi for å skrive ut vingestøtter laget av titanlegering. Den oppnår et størrelsesavvik på Mindre enn eller lik ± 15 μm i batchproduksjon på 200 stykker ved multi-lasersamarbeid og lukket-sløyfekontroll. Den består også utmattelsestesting og reduserer vekten med 15 %. Den regenerative kjølekanaltopologien har forbedret SpaceX raketttrykkkammeret, kuttet utskriftssyklusen fra de vanlige 6 månedene til 3 uker og tillater 500 varmesyklustester uten feil.
Medisinsk støpeform: 3D-trykt støpeform for en porøs titanlegeringsinnretning som forkorter injeksjonssyklusen fra 120 sekunder til 45 sekunder og øker produktsertifiseringsraten fra 85 % til 99 %; Den skreddersydde tannkroneformen av koboltkromlegering kan tilpasses på bare 2 uker til 3 dager, og når 5000 stykker lages på en gang, er størrelsen alltid innenfor ± 20 μm.
Bilstøpeform: Et nytt energikjøretøyfirma brukte 3D-utskrift til å lage støpeformer for batteripakkebokser, som kuttet sveiseprosedyren fra 12 til 3 og gjorde kroppen 20 % stivere. Den satte opp en produksjonslinje for 3D-utskrift som kan lage 50 000 stykker i året. Kostnaden per vare er 35 % lavere enn med tradisjonelle metoder.