Kan hardheten til 3D-utskriftsformer av metall oppfylle kravene til produksjon med høy-styrke?

1. Velge riktig materiale: Bunnstøtte laget av metallpulver med høy seighet
Selve materialet bestemmer hvor harde metall 3D-utskriftsformer er. Verktøystål, rustfritt stål, harde legeringer og spesiallegeringer er de vanligste materialene for 3D-utskriftsformer akkurat nå. De har et hardhetsområde på HRC 20 til 70, noe som betyr at de kan brukes i en rekke situasjoner.
Verktøystål, som H13 og A2, har en hardhet på HRC 40–60 etter varmebehandling. Den er robust og motstandsdyktig mot slitasje, noe som gjør den bra for høye-stresssituasjoner som-støpeformer og varme smiformer. For eksempel bruker et selskap som lager bildeler 3D-trykte H13 stålformer som er HRC 52 harde etter varmebehandling. Disse formene fungerer like godt som tradisjonelle smiformer og varer tre ganger lenger.
316L rustfritt stål har en hardhet på ca. HRC 20–30, men ved å justere utskriftsinnstillingene og etter-behandling kan hardheten økes til over HRC 40 samtidig som den er svært motstandsdyktig mot korrosjon. Dette gjør det bra for områder der hygiene er svært viktig, som matemballasje og medisinsk utstyr.
Hard legering: WC Co (wolframkarbidkobolt) er et typisk materiale for ekstreme slitasjesituasjoner som stanse- og trekkdyser. Den har en hardhet på opptil HRC 55–70 og er mer enn 10 ganger mer slitebestandig- enn verktøystål. Et bestemt selskap som produserer elektriske deler bruker 3D-trykte støpeformer i sterk legering for å doble stansefrekvensen, fra 500 000 ganger til 2 millioner ganger.
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 % ved 650 grader ), som er grunnen til at de brukes mye i støpeformer for flymotorturbinskiver.
2. Prosessoptimalisering: presis kontroll fra "utskrift" til "forming"
Hardheten til metall Ikke bare materialet, men også nøyaktig styring av prosessparametere er viktig for 3D-utskrift. Selektiv lasersmelting (SLM)-teknologi øker for eksempel hardheten ved å optimalisere følgende viktige parametere:
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 %), og når den er høy kan den sprekke. En studie viser at når du skriver ut 316L rustfritt stål med en lasereffekt på 150W og en skannehastighet på 800mm/s, holder porøsiteten seg under 0,3 % og hardheten når HRC 38, som er nesten det samme som for smiing.
Bindingsstyrke mellom lag: En sterk metallurgisk binding mellom lagene kan lages ved å endre skanneprosedyrene (slike sjakkbrettskanning og øyskanning) og lagtykkelsen (20–50 μm). For eksempel trykker en viss luftfartsvirksomhet Ti6Al4V turbinbladformer med en lagtykkelse på 30 μm og en bindestyrke mellom lag på 450 MPa, som er 20 % sterkere enn tidligere metoder.
Setting the cooling rate: Rapid cooling (>10 ^ 4 grader /s) kan skape en fin-struktur (som martensitt) som gjør materialet mye hardere. Ved å bruke L-PBF-teknologi trykket City University of Hong Kong-teamet en Al Mg Mn Sc Zr-legering. De brukte nano tvillingforsterkningsmekanismen for å øke flytegrensen til 656 MPa mens duktiliteten holdt på 12 %.
3. Etter-behandlingsteknologi: det siste trinnet i å gjøre hardheten bedre
3D-utskrift er ikke slutten; etter-behandlingsteknologi er den viktigste delen av å gjøre støpeformer hardere.
Varmebehandling: endring av gitterstrukturen ved gløding, bråkjøling eller aldring. For eksempel, etter å ha blitt eldet ved 480 grader, gikk hardheten til en 3D-trykt 18Ni300 martensittisk aldrende stålform fra HRC 38 til HRC 52. Dette ble kvitt restspenningen og gjorde det mindre sannsynlig at den knuste.
For å gjøre overflaten hardere, kan du bruke shot peening, nitrering eller laserkledning. En viss støpestøpeformprodusent brukte kulepening til 3D-utskrift av H13 stålformer. Dette gjorde overflaten hardere (fra HRC 50 til HRC 58) og gjorde dem 40 % mer motstandsdyktige mot slitasje.
Varm isostatisk pressing (HIP): Bruk av høyt trykk (100–200 MPa) og høy temperatur (900–1200 grader) for å kvitte seg med indre porer og få materialtettheten nær 100 %. Inconel 718-formen som ble behandlet med HIP er 30 % hardere og varer fem ganger lenger enn formen som ikke ble behandlet.
4. Bransjebruk: testing fra laboratoriet til produksjonslinjen
Hardhetsfordelen med metall 3D-utskriftsformer har blitt bekreftet på flere områder:
GE Aviation bruker 3D-trykte Inconel 718 drivstoffdyseformer med en hardhet på HRC 45. Disse formene er 15 % lettere enn standard støpegods og kan håndtere høye temperaturer og trykk.
Lage biler: BMW Group lager motorsylinderblokker i aluminiumslegering ved hjelp av stålformer og 3D-utskriftsverktøy. Formens hardhet er HRC 50, og den varer mer enn 100 000 ganger, noe som senker kostnaden for hvert stykke med 40%.
Johnson & Johnson bruker 3D-trykte ortopediske implantatformer i koboltkromlegering som er HRC 60 harde og Ra<0.2 μ m rough on the surface. These moulds meet both biocompatibility and wear resistance standards.