ขนาดอนุภาคของผงโลหะส่งผลต่อคุณภาพการพิมพ์ของแม่พิมพ์หรือไม่?

ประการหนึ่ง วิธีที่ขนาดอนุภาคส่งผลต่อคุณภาพการพิมพ์: ผลเสริมฤทธิ์กันมากกว่าหนึ่งวิธี
1. แป้งจะกระจายอย่างสม่ำเสมอ: ความหนาแน่นของชั้นแป้งจะขึ้นอยู่กับขนาดของอนุภาค
ขั้นตอนแรกในการพิมพ์โลหะ 3D คือการกระจายผง และผลกระทบโดยตรงต่อคุณภาพเริ่มต้นของแม่พิมพ์อย่างไร อนุภาคผงที่มีขนาดเล็ก (น้อยกว่า 15 ไมโครเมตร) มีแนวโน้มที่จะเกาะติดกันเนื่องจากมีพลังงานพื้นผิวมาก สิ่งนี้อาจทำให้เกิดช่องว่างหรือจับตัวเป็นก้อนในชั้นผง ในทางกลับกัน หากอนุภาคมีขนาดใหญ่เกินไป (มากกว่า 53 μm) อนุภาคเหล่านั้นสามารถไหลได้ดีแต่จำกัดความหนาของชั้นขั้นต่ำ ทำให้ยากต่อการสร้างลักษณะพิเศษ เช่น โครงสร้างที่มีผนังบาง- ตัวอย่างเช่น เมื่อใช้ผงสแตนเลส 316L ที่มีอนุภาคขนาด 15 ถึง 45 μm ในกระบวนการ SLM ความหนาของชั้นผงสามารถรักษาไว้ได้ระหว่าง 30 ถึง 50 μm และความหนาแน่นของชั้นผงสามารถสูงถึง 99.2% แต่เมื่อขนาดอนุภาคสูงกว่าช่วงนี้ ความพรุนก็จะเพิ่มขึ้นอย่างมาก
ความสมเหตุสมผลของการกระจายขนาดอนุภาคก็มีความสำคัญไม่แพ้กัน การใช้การกระจายแบบไบโมดัล (การผสมอนุภาคหยาบและละเอียด) จะช่วยปรับปรุงความหนาแน่นของการอัดตัวของผง อนุภาคละเอียดจะเติมเต็มช่องว่างระหว่างอนุภาคหยาบ ซึ่งจะเพิ่มความหนาแน่นของการอัดแน่นขึ้น 10% ถึง 15% ซึ่งจะช่วยลดข้อบกพร่องภายในแม่พิมพ์ ด้วยการปรับปรุงอัตราส่วนขนาดอนุภาคของผง Ti6Al4V (D50=35 μ m, D90=50 μ m) บริษัทการบินเฉพาะรายจึงเพิ่มความหนาแน่นของแม่พิมพ์ใบพัดกังหันจาก 98.5% เป็น 99.7% และอายุความล้าขึ้น 20%
2. ความเสถียรของสระน้ำ: ความสมดุลระหว่างขนาดอนุภาคและการดูดซับพลังงานที่เปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลา
สระที่หลอมละลายเป็นส่วนหลักที่ผงโลหะหลอมละลาย และความเสถียรของมันขึ้นอยู่กับว่าผงดูดซับพลังงานลำแสงเลเซอร์/อิเล็กตรอนได้ดีเพียงใด อนุภาคขนาดเล็กมีพื้นที่ผิวจำเพาะขนาดใหญ่และมีอัตราการดูดซับความร้อนที่รวดเร็ว อย่างไรก็ตาม แป้งที่มีขนาดเล็กเกินไป (เช่น<10 μ m) can splash because to thermal stress concentration, which can cause porosity or incomplete fusing flaws. To thoroughly melt coarse particles, you need more energy, and not enough energy can make the layers stick together poorly. For instance, when printing with AlSi10Mg aluminum alloy, powders with a particle size of 20–50 μ m may make a stable melt pool at a laser power of 200W. However, when the particle size is>60 μ m อัตราข้อบกพร่องของฟิวชันบางส่วนสูงถึง 15%
การกระจายขนาดอนุภาคที่ไม่สม่ำเสมอยังทำให้เกิดความไม่เท่าเทียมกันในการนำความร้อนในบางพื้นที่ ซึ่งอาจส่งผลต่อความเข้มข้นของความเค้นตกค้าง การศึกษาพบว่าการใช้ผง Inconel 718 ที่มีการกระจายขนาดอนุภาคที่กว้าง (10–100 μm) ในการพิมพ์แม่พิมพ์จะเพิ่มความเค้นตกค้างได้ 30% เมื่อเทียบกับการกระจายที่จำกัด (20–50 μm) สิ่งนี้ทำให้ความเสี่ยงของการบิดเบี้ยวของการบิดเบี้ยวสูงขึ้นมาก
3. คุณภาพและความแม่นยำของพื้นผิว: ควบคุมขนาดอนุภาคได้โดยตรงต่อความหยาบ
ความหยาบผิวของแม่พิมพ์เป็นวิธีที่ดีในการบอกว่าการพิมพ์ดำเนินไปได้ดีเพียงใด เนื่องจากเป็นสัดส่วนโดยตรงกับขนาดของอนุภาคผง ยิ่งอนุภาคเล็กลง พื้นผิวก็จะยิ่งเรียบเนียนขึ้น อย่างไรก็ตามหากแป้งละเอียดเกินไป จะไหลได้ไม่ดี และอาจทำให้แป้งกระจายตัวไม่สม่ำเสมอ ซึ่งจะทำให้พื้นผิวหยาบขึ้น ตัวอย่างเช่น หากคุณใช้แม่พิมพ์การพิมพ์แบบผง 316L ที่มี D50 ที่ 25 μm คุณสามารถรักษาความหยาบของพื้นผิว Ra ไว้ภายใน 8 μm แต่ถ้าคุณใช้ผงที่มี D50 15 μm ค่า Ra จะเกิน 15 μm เนื่องจากอนุภาคเกาะติดกัน
เมื่อเลือกขนาดของอนุภาคสำหรับแม่พิมพ์โครงสร้างที่ซับซ้อน (เช่น ช่องระบายความร้อนที่เป็นไปตามรูปร่าง) คุณจำเป็นต้องพบจุดประนีประนอมระหว่างความถูกต้องและความง่ายในการใช้งาน บริษัทแห่งหนึ่งที่ผลิตแม่พิมพ์สำหรับรถยนต์สามารถสร้างรูปร่างที่แม่นยำด้วยรูรับแสงขั้นต่ำ 0.5 มม. โดยใช้ผงเหล็กมาร์เทนซิติกที่มีขนาดอนุภาค 30–60 μm พวกเขายังทำให้แน่ใจว่าความขรุขระ Ra ของผนังด้านในของทางน้ำนั้นน้อยกว่าหรือเท่ากับ 10 μm
2 การปรับขนาดอนุภาคของกระบวนการทั่วไป: ความต้องการ SLM และ EBM ที่แตกต่างกัน
1. กระบวนการ SLM: การผสมผสานระหว่างขนาดอนุภาคขนาดเล็กและความแม่นยำสูง
เทคนิค SLM ใช้เลเซอร์เป็นแหล่งพลังงาน และเส้นผ่านศูนย์กลางของจุดที่มีความเข้มข้นโดยปกติจะอยู่ระหว่าง 50 ถึง 100 μm ดังนั้น คุณต้องเลือกผงเนื้อละเอียด- (15–53 μm) ที่ตรงกับขนาดของจุด อนุภาคละเอียดสามารถดูดซับพลังงานเลเซอร์ได้อย่างรวดเร็วและสร้างแหล่งหลอมเหลวที่เป็นเนื้อเดียวกัน แต่ต้องรักษาปริมาณออกซิเจนให้ต่ำกว่า 150 ppm เพื่อหลีกเลี่ยงการรวมตัวของออกไซด์ ตัวอย่างเช่น เมื่อทำแม่พิมพ์สำหรับการปลูกถ่ายกระดูกเทียมโลหะผสมไทเทเนียม ผง TC4 ที่มีขนาดอนุภาค 20–45 μm และระดับออกซิเจน 80 ppm สามารถตอบสนอง-มาตรฐานความแม่นยำสูงของค่าเผื่อรูรับแสง ± 0.02 มม. และความขรุขระของพื้นผิว Ra < 5 μm
2. กระบวนการ EBM: ค้นหาจุดประนีประนอมระหว่างขนาดอนุภาคขนาดใหญ่และประสิทธิภาพสูง
วิธี EBM ใช้ลำอิเล็กตรอนเป็นแหล่งพลังงาน คุณสมบัติการกระจายความหนาแน่นของพลังงานจะดีกว่าสำหรับการหลอมอนุภาคหยาบ (53–150 μ m) อนุภาคหยาบสามารถลดจำนวนชั้นของผง ทำให้การพิมพ์เร็วขึ้น และลดความเค้นตกค้าง เมื่อบริษัทเครื่องยนต์การบินบางแห่งใช้ EBM เพื่อสร้างแม่พิมพ์จานกังหันอัลลอยด์อุณหภูมิสูง-ที่มีนิกเกิล- บริษัทจะเลือกผงที่มีอนุภาคขนาด 60 ถึง 105 μm การเสียรูปบิดเบี้ยวจะถูกเก็บไว้ให้อยู่ภายใน 0.1 มม. ที่อุณหภูมิอุ่นที่ 700 องศา และความเร็วในการพิมพ์เร็วกว่า SLM สามเท่า
3. กระบวนการเลนส์: จับคู่ขนาดของอนุภาคและความเสถียรของการป้อนผง
เทคนิค LENS (Laser Near Clean Forming) ใช้วิธีการป้อนผงโคแอกเซียล เพื่อให้แน่ใจว่าการป้อนผงมีความเสถียร จะต้องเลือกผงหยาบที่มีขนาดอนุภาค 105 ถึง 180 μm อนุภาคหยาบสามารถช่วยป้องกันไม่ให้ท่อป้อนผงเกิดการอุดตันได้ แต่จำเป็นต้องตั้งค่าความเร็วในการสแกน (600–1000 มม./วินาที) ให้อยู่ในระดับที่เหมาะสมเพื่อหลีกเลี่ยงข้อผิดพลาดในการหลอมรวมที่ไม่สมบูรณ์ บริษัทซ่อมแม่พิมพ์แห่งหนึ่งใช้เทคโนโลยี LENS เพื่อซ่อมแม่พิมพ์-การหล่อโดยใช้ผงเหล็ก H13 ที่มีอนุภาคขนาด 120–150 μm ด้วยกำลังเลเซอร์ 1,000W และความเร็วในการสแกน 800 มม./วินาที พบว่าความแข็งแรงพันธะทางโลหะวิทยาระหว่างชั้นซ่อมแซมและซับสเตรตมีค่าอย่างน้อย 400MPa
3,กลยุทธ์ในการปรับขนาดอนุภาคให้เหมาะสม: ควบคุมกระบวนการตั้งแต่การเตรียมจนถึงหลังการรักษาโดยสมบูรณ์-
1. การเตรียมผง: เลือกระหว่างการพ่นละอองและเทคโนโลยี PREP
การทำให้เป็นละอองด้วยแก๊ส (GA) เป็นวิธีที่ใช้กันทั่วไปในการผลิตผงเนื่องจากมีราคาถูกและใช้งานได้ดี อย่างไรก็ตาม มักสร้างผงดาวเทียม (อนุภาคขนาดเล็กที่เกาะติดกับพื้นผิวของอนุภาคขนาดใหญ่) และผงกลวง ซึ่งทำให้คุณภาพของการพิมพ์ลดลง กระบวนการทำให้เป็นอะตอมของอิเล็กโทรดแบบหมุนด้วยพลาสมา (PREP) สามารถสร้างผงคุณภาพสูง-ที่มีความเป็นทรงกลมมากกว่า 98% และมีปริมาณผงดาวเทียมน้อยกว่า 0.5% โดยการหลอมโลหะด้วยอิเล็กโทรดที่หมุนด้วยความเร็วสูง- อย่างไรก็ตามอุปกรณ์มีราคาแพง ผู้ผลิตแม่พิมพ์ระดับสูง-ได้ปรับปรุงอายุการใช้งานความล้าของผง 316L ที่ผลิตโดยใช้กระบวนการ PREP จาก 100,000 รอบเป็น 500,000 รอบ
2. การคัดกรองตามขนาดอนุภาค: การคัดกรองสอง-ขั้นตอนและการเพิ่มประสิทธิภาพการไล่ระดับ
สามารถใช้การคัดกรองสอง-ขั้นตอน (เช่นตะแกรง 30 μ m และ 53 μ m) เพื่อให้ได้ผงที่มีการกระจายขนาดอนุภาคแคบ สิ่งนี้จะหยุดการแพร่กระจายของผงที่ไม่สม่ำเสมอซึ่งเกิดขึ้นเมื่ออนุภาคหยาบและอนุภาคขนาดเล็กผสมกัน ด้วยการรวมผงที่มีขนาดอนุภาคต่างกัน คุณสามารถปรับปรุงการคัดเกรดได้โดยการเพิ่มความหนาแน่นรวม ตัวอย่างเช่น การผสมผงละเอียด 10–20 μm 20% กับผงหยาบ 30–50 μm 80% จะสามารถเพิ่มความหนาแน่นรวมจาก 4.2g/cm³ เป็น 4.8g/cm³
3. หลังการรักษา: การกดและขัดพื้นผิวแบบไอโซสแตติกแบบร้อน
การกดไอโซสแตติกแบบร้อน (HIP) สามารถเติมเต็มรูในแม่พิมพ์และเพิ่มความหนาแน่นได้มากกว่า 99.9% จากการศึกษาพบว่า ความต้านทานต่อความล้าของแม่พิมพ์ Ti6Al4V ที่ได้รับการบำบัดด้วย HIP นั้นสูงกว่าแม่พิมพ์ที่ไม่ได้รับการบำบัดถึง 40% การขัดพื้นผิวจะทำให้พื้นผิวเรียบเนียนยิ่งขึ้น ตัวอย่างเช่น เทคโนโลยีการขัดเงาด้วยไฟฟ้าสามารถลดความหยาบผิวของแม่พิมพ์จาก Ra10 μm เหลือ Ra0.2 μm ซึ่งดีเพียงพอสำหรับแม่พิมพ์ออปติคอลระดับไฮเอนด์-และการใช้งานอื่นๆ