Hva er vanskelighetene med å kontrollere dimensjonsfeil for 3D-utskriftsformer av metall?

1. Dimensjonsavvik på grunn av materialkrymping og termisk spenning
Under 3D-utskriftsprosessen går metallmaterialer gjennom en fast-flytende-fastfaseendring. Den termiske ekspansjonskoeffisienten og krympingshastigheten er de viktigste tingene som påvirker hvor nøyaktige dimensjonene er. For eksempel ved å bruke materialer som ofte brukes:

Rustfritt stål (som 316L): Graden av kjølekrymping er omtrent 4 %. Hvis omvendt korreksjon ikke gjøres under modelleringsfasen, kan den 100 mm lange formen krympe til 96 mm, som er utenfor toleranseområdet på ± 0,1 mm.
Titanlegeringer (slik som Ti-6Al-4V) krymper med omtrent 2 %, men termisk stress bygges opp raskere, noe som lett kan forårsake vridning, spesielt i bygninger med tynne vegger eller utkrager.
Vanskelighetsgjennombrudd: For å finne den faktiske krympingshastigheten, må du bruke reverse engineering-verktøy som Geomagic Control X. Du må også bruke formelen "kompensert størrelse=designstørrelse ÷ (1-krympingshastighet)" under modelleringstrinnet. For eksempel må støpeformer laget av rustfritt stål være 4,2 % større (100 mm → 104,2 mm), og støpeformer laget av titanlegeringer må være 2,04 % større (100 mm → 102,04 mm). Retningskompensasjonsteknologi kan også håndtere vanskelige scenarier når Z-aksens krympehastighet er 10 % høyere enn XY-aksen i SLM-prosedyrer.

2. Forbedring av prosessparametere: teknikken for å balansere energitetthet og lagtykkelse
For at 3D-utskrift av metall skal være nøyaktig, må egenskaper som laserkraft, skannehastighet og lagtykkelse kontrolleres på en koordinert måte. Enhver endring i en parameter kan forårsake dimensjonsproblemer.

Ikke nok energitetthet: Hvis lasereffekten er for lav eller skannehastigheten er for rask, smelter ikke pulveret helt, noe som skaper ufullstendige fusjonsfeil. Dette svekker bindingen mellom lag og gjør størrelsen på objektet mindre stabil.
Høy energitetthet: Hvis lasereffekten endres med mer enn 5 %, spruter det smeltede bassenget kraftig, og det flytende metallet blir til runde partikler på det usmeltede pulveret. Dette gjør overflaten ujevn og endrer størrelsen.
Valg av tykkelse på lagene: En lagtykkelse på 0,1 mm kan gjøre ting mer effektivt, men mønstrene er klare og ruheten Ra er større enn 5 μm. En lagtykkelse på 0,03-0,05 mm kan gjøre ruheten Ra<3 μ m, but it will take more than three times longer to print.
Kasusstudie: Et luftfartsselskap brukte SLM-teknologi for å skrive ut turbinblader. De brukte ortogonale eksperimenter for å finne den beste kombinasjonen av parametere: en lasereffekt på 300W, en skannehastighet på 1200 mm/s, en lagtykkelse på 0,05 mm og en kryssskanningsbane (tilstøtende lag ble skannet langs X/Y-aksen). Dimensjonstoleransen ble effektivt administrert innenfor ± 0,05 mm, i samsvar med luftfartsstandarder.

3. Nøyaktighet av utstyr: fra kalibrering av maskinvare til å kontrollere bevegelse
Det fysiske grunnlaget for størrelseskontroll er utstyrspresisjon. For å oppnå dette må tre områder samarbeide for å forbedre: den mekaniske strukturen, bevegelsessystemet og sensorene.

Platformen på plattformen: Hvis utskriftsplattformen ikke er jevn, kan det hende at lagene ikke har samme tykkelse, noe som kan føre til at dimensjonene blir "tykke på den ene siden og tynne på den andre." For å sikre at avlesningsforskjellen mellom de fem punktene (fire hjørner pluss midten) på plattformen er mindre enn eller lik 0,05 mm, trenger du en måleur som er nøyaktig til 0,01 mm.
Det er et mellomrom mellom ledeskruen og styreskinnen: Hvis avstanden er for stor, vil skrivehodet bevege seg for langt. Hvis du forteller den å bevege seg 10 mm, vil den virkelig bevege seg 10,02 mm. For å finne hullavstandsfeilen må du skrive ut en flat plate med mange små hull (5 mm i diameter og 20 mm fra hverandre) og bruke et koordinatmåleverktøy. Deretter kan du fikse problemet ved å bruke enhetsprogramvarens "elektroniske girforhold".
Kalibrering av laserpunktdiameteren: Hvis du stiller inn punktdiameteren feil (for eksempel hvis den virkelig er 0,1 mm, men programmet sier at den er 0,08 mm), kan du ha "overbrenning" eller "underbrenning". Skriv ut en rett linje som er 10 mm lang, mål deretter den faktiske bredden og sammenlign den med det programmet sier. Du må fikse feilen hvis den er mer enn 0,02 mm.
4. Design av støttestrukturen: finne den rette balansen mellom styrke og enkel fjerning
Bærestrukturen er ikke bare "skjelettet" som hindrer modellen i å endre form, men det kan også være årsaken til størrelsesfeil:

For mye plass mellom støttene: Hvis avstanden mellom støttene på hengende deler (for eksempel 5 mm utkrager) er mer enn 3 mm, kan gjenstanden henge under utskrift, noe som forårsaker størrelsesvariasjoner.
Bratt støttevinkel: Hvis vinkelen mellom støtten og delen er mindre enn 45 grader, kan det å ta av støtten lett "trekke" og endre formen på delen, spesielt hvis den er tynnvegget (tykkelse<2mm).
Ikke sterk nok i bunnen av støtten: Hvis bunnen av støtten ikke er 50 % større i diameter enn toppen, kan delene lett vippe på grunn av ujevn spenning.
Ny måte å løse problemet på:
Bruk av topologioptimaliseringsmetoder for å lage lette støttestrukturer som er sterke, men krever mindre materiale; krever sofistikerte verktøy som ultralydskjæreblader for å ta av støttene og unngå forvrengning fra hammerslag. Ved å forbedre støttedesignet var en produsent av støpeformer for biler i stand til å forbedre dimensjonstoleransen til tynne-vegger fra ± 0,2 mm til ± 0,08 mm.

5. Miljøkontroll: De usynlige effektene av temperatur og fuktighet
Folk tenker vanligvis ikke på hvordan miljøforhold påvirker dimensjonsstabiliteten til 3D-utskrift av metall:

Endringer i temperatur: Endringer i verkstedtemperaturen på mer enn 5 grader (for eksempel 25 grader på dagtid og 18 grader om natten) kan få utstyr til å utvide seg og trekke seg sammen, noe som kan forårsake størrelsesdrift. Du må installere klimaanlegg som holder temperaturen på 22 ± 2 grader.
Pulverfuktighetsabsorpsjon: Hvis metallpulveret har mer enn 0,1 % fuktighet, vil utskrift skape porer, som vil gjøre dimensjonene ustabile. Ha det agglomererte pulveret i en 80 mesh sikt og tørk det i en 80 grader varm ovn i 2 timer.