โพสต์-การประมวลผลสำหรับการพิมพ์โลหะ 3 มิติคืออะไร เหตุใดการประมวลผลภายหลัง-จึงจำเป็น

ประการแรก-การประมวลผลภายหลังสำหรับการพิมพ์โลหะ 3 มิติคืออะไร และเป้าหมายหลักคืออะไร
หลัง-การประมวลผลการพิมพ์โลหะ 3 มิติเป็นชุดขั้นตอนที่ดำเนินการกับชิ้นส่วนที่พิมพ์หลังจากเสร็จสิ้นการผลิตสารเติมแต่งโลหะ ขั้นตอนเหล่านี้ประกอบด้วยการแก้ไข เพิ่มประสิทธิภาพ และประมวลผลชิ้นส่วนเพื่อกำจัดข้อบกพร่องในการผลิต ปรับปรุงตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพ และตอบสนองความต้องการของการใช้งานบางอย่าง เป้าหมายหลักของมันสามารถสรุปได้ดังนี้:

การปรับปรุงคุณภาพ: ขจัดปัญหาต่างๆ เช่น ข้อบกพร่องในการยึดเกาะระหว่างชั้นและพื้นผิวขรุขระ ซึ่งทำให้ชิ้นส่วนมีความน่าเชื่อถือน้อยลง
การเพิ่มประสิทธิภาพการทำงาน: การอบชุบด้วยความร้อน การปรับเปลี่ยนพื้นผิว และการบำบัดอื่นๆ สามารถปรับปรุงคุณภาพที่สำคัญของวัสดุ เช่น ความแข็งแรง ความแข็ง และความต้านทานต่อการกัดกร่อน
การแก้ไขขนาด: ชดเชยการเสียรูปจากความร้อนและการหดตัวที่เกิดขึ้นระหว่างการพิมพ์ เพื่อให้แน่ใจว่าชิ้นงานเป็นไปตามข้อกำหนดความทนทานต่อการออกแบบ
บูรณาการการทำงาน: ทำให้ชิ้นงานมีประสิทธิภาพโดยรวมที่ซับซ้อนมากขึ้นโดยการเสริมโครงสร้างให้แข็งแกร่งขึ้นหรือผสมผสานวัสดุที่แตกต่างกัน
ตัวอย่างเช่น ในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ มีการใช้การพิมพ์ 3 มิติด้วยโลหะเพื่อสร้างกรอบทั่วไปของถังเชื้อเพลิงเครื่องยนต์จรวดบางประเภท จากนั้นจึงใช้การรักษาด้วยการกดไอโซสแตติกแบบร้อน (HIP) เพื่อกำจัดรูขุมขนภายใน หลังจากนั้นจะใช้การกัด CNC เพื่อสร้างพื้นผิวการซีล และใช้การชุบอโนไดซ์เพื่อให้ทนทานต่อการกัดกร่อนมากขึ้น ขั้นตอนหลังการประมวลผลชุดนี้ทำให้ชิ้นส่วนแข็งแรงขึ้น 30% เบาขึ้น 40% และสามารถปิดผนึกได้ในสภาวะที่รุนแรงมาก

2 ระบบเทคโนโลยีหลักสำหรับการประมวลผลหลัง-
มีโมดูลเทคโนโลยีสี่โมดูลใน-การประมวลผลหลังการพิมพ์โลหะ 3 มิติ: การขจัดวัสดุ การอบชุบด้วยความร้อน การรักษาพื้นผิว และการเสริมความแข็งแกร่งของโครงสร้าง แต่ละโมดูลเป็นส่วนหนึ่งของโซลูชันที่ใหญ่กว่าซึ่งเหมาะกับสถานการณ์ที่หลากหลาย

1. การขจัดวัสดุ: การแกะสลักด้วยความแม่นยำตั้งแต่ "หยาบ" ถึง "ละเอียด"
ชิ้นงานที่พิมพ์ด้วยโลหะ 3D มักจะไม่สามารถใช้งานได้ทันที เนื่องจากมีโครงสร้างรองรับที่เหลือและพื้นผิวที่ขรุขระ (ค่า Ra อาจสูงถึง 10–20 μm) เทคนิคการกำจัดวัสดุใช้กระบวนการทางกล การตัดด้วยเลเซอร์ หรือการกัดกร่อนทางเคมีเพื่อทำสิ่งต่อไปนี้:

หากต้องการถอดโครงสร้างรองรับออก ให้ใช้เครื่องมือลอกแบบใช้ไครโอเจน-หรือเครื่องมือตัดเชิงกลเพื่อให้แน่ใจว่าส่วนรองรับถูกถอดออกทั้งหมดโดยไม่สร้างความเสียหายให้กับวัตถุที่พิมพ์ ตัวอย่างเช่น ส่วนที่พิมพ์ไว้ของดุมล้อรถยนต์จะถูกแช่แข็งที่อุณหภูมิต่ำ ซึ่งทำให้โครงสร้างรองรับเปราะบางและลอกออกได้ง่ายขึ้น สิ่งนี้จะเพิ่มประสิทธิภาพได้ 50%
การตกแต่งพื้นผิว: การกัด CNC การเจียร หรือการขัดเงาอาจทำให้ความหยาบของพื้นผิวน้อยกว่า Ra0.8 μm เครื่องแมชชีนนิ่งเซ็นเตอร์แบบเชื่อมโยงห้า-แกนถูกนำมาใช้เพื่อขัดเงาพื้นผิวของช่องการไหลหลังจากพิมพ์ใบพัดของเครื่องยนต์เครื่องบินบางรุ่น ซึ่งจะช่วยลดความต้านทานการไหลของอากาศลง 15%
การแก้ไขขนาด: ใช้อุปกรณ์วัดพิกัดเพื่อรับข้อมูลป้อนกลับและแก้ไขการเปลี่ยนแปลงขนาดที่เกิดขึ้นระหว่างการพิมพ์โดยใช้การประมวลผลทางกล เทคโนโลยีการกัดระดับไมโครจะรักษาความแม่นยำของมิติของการปลูกถ่ายอุปกรณ์ทางการแพทย์ที่พิมพ์ออกมาภายใน ± 0.01 มม. ซึ่งเป็นสิ่งที่จำเป็นสำหรับการแทรกการผ่าตัด
2. การอบชุบด้วยความร้อน: ตัวเปลี่ยน-เกมในการควบคุมประสิทธิภาพของโครงสร้างจุลภาค
การอบชุบด้วยความร้อนจะช่วยขจัดความเค้นตกค้างที่เกิดขึ้นระหว่างการพิมพ์ (มากถึง 50% ถึง 70% ของความแข็งแรงของผลผลิตของวัสดุ) และปรับปรุงโครงสร้างเกรนของวัสดุโดยการควบคุมเส้นโค้งการให้ความร้อนและความเย็น วิธีการทั่วไปบางประการได้แก่:

การอบอ่อน: ให้ความร้อนส่วนที่ต่ำกว่าอุณหภูมิที่สามารถตกผลึกใหม่และทำให้มันอุ่นเพื่อกำจัดความเครียดภายในและทำให้มีความยืดหยุ่นมากขึ้น การอบอ่อนด้วยสุญญากาศจะช่วยลดความเค้นตกค้างได้ถึง 80% และยืดอายุความเมื่อยล้าของวัสดุปลูกถ่ายกระดูกโลหะผสมไทเทเนียมหลังจากพิมพ์แล้ว
สารละลายที่เป็นของแข็งและการบำบัดความชรา: สำหรับวัสดุ เช่น โลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูง-ที่มีนิกเกิล- การบำบัดด้วยสารละลายที่เป็นของแข็งจะละลายระยะการเสริมกำลัง จากนั้นการบำบัดตามอายุจะทำให้เกิดการตกตะกอนที่ละเอียดก่อตัว ซึ่งจะช่วยเพิ่ม-ความแข็งแกร่งที่อุณหภูมิสูงได้อย่างมาก หลังจากพิมพ์แผ่นกังหันสำหรับเครื่องยนต์การบินแล้ว สารละลายที่เป็นของแข็งและการบำบัดตามอายุก็ปรับปรุงความต้านทานการคืบคลานที่ 650 องศาได้ถึง 40%
การกดไอโซสแตติกแบบร้อน (HIP) ใช้ทั้งอุณหภูมิสูง (โดยทั่วไปคือ 0.7–0.9 เท่าของจุดหลอมเหลวของวัสดุ) และแรงดันสูง (100–200MPa) เพื่อกำจัดรูพรุนภายในและทำให้วัสดุมีความหนาแน่นมากขึ้น หลังจากพิมพ์ส่วนที่ระบุของโครงสร้างดาวเทียม การประมวลผล HIP จะเพิ่มความหนาแน่นจาก 99.2% เป็น 99.95% และขีดจำกัดความล้าขึ้น 25%
3. การรักษาพื้นผิว: จาก "ฟังก์ชันการทำงาน" ไปจนถึง "การทำให้อัจฉริยะ" ในวิศวกรรมพื้นผิว
ด้วยการปรับเปลี่ยนสัณฐานวิทยาของพื้นผิวหรือองค์ประกอบทางเคมีของวัตถุ เทคโนโลยีการปรับสภาพพื้นผิวทำให้มีคุณสมบัติเฉพาะ รวมถึงความต้านทานต่อการกัดกร่อน การสึกหรอ และความเข้ากันได้ทางชีวภาพ เทคโนโลยีทั่วไปบางประการ ได้แก่:

การพ่นทรายและการขัดเงา: การพ่นทรายใช้อนุภาคทรายที่เคลื่อนที่เร็ว-เพื่อกระทบพื้นผิว ทำให้มีความหยาบเท่ากัน (Ra3.2–6.3 μm) และช่วยให้สารเคลือบติดได้ดีขึ้น การขัดเงาจะทำให้พื้นผิวเรียบเนียนยิ่งขึ้น โดยมีค่าต่ำกว่า Ra0.4 μm เพื่อตอบสนองความต้องการด้านการมองเห็นหรือการซีล
การชุบด้วยไฟฟ้าและการชุบด้วยสารเคมีเป็นสองวิธีในการเพิ่มชั้นของโลหะหรือโลหะผสมลงบนพื้นผิวของสิ่งของ เพื่อให้ทนทานต่อสนิมมากขึ้นหรือนำไฟฟ้าได้ดีขึ้น การชุบนิกเกิลจะลดอัตราการกัดกร่อนลง 90% ในสารละลาย NaCl 3.5% หลังจากพิมพ์ชิ้นส่วนทางวิศวกรรมทางทะเลโดยเฉพาะ
การหุ้มด้วยเลเซอร์: ลำแสงเลเซอร์พลังงานสูง-จะละลายผงโลหะผสมและก่อตัวเป็นสารเคลือบที่มีความหนา 0.1–5 มม. บนพื้นผิวของชิ้นงาน ทำให้ทนทานต่อการสึกหรอมากขึ้น การหุ้มด้วยเลเซอร์ของการเคลือบโลหะผสม Stellite 6 ช่วยเพิ่มความต้านทานการสึกหรอของเฟืองของอุปกรณ์การทำเหมืองแร่ที่กำหนดได้ห้าเท่าหลังจากที่พิมพ์ออกมา
การออกซิเดชันแบบไมโครอาร์ก: ฟิล์มเซรามิกออกไซด์ถูกวางบนพื้นผิวของโลหะผสมอลูมิเนียมและแมกนีเซียมเพื่อให้ทนทานต่อการสึกหรอและการกัดกร่อนมากขึ้น การบำบัดด้วยออกซิเดชันแบบไมโครอาร์กช่วยเพิ่มเวลาต้านทานการกัดกร่อนได้มากกว่า 1,000 ชั่วโมงในการทดสอบสเปรย์เกลือหลังจากพิมพ์ฉากยึดสำหรับชุดแบตเตอรี่รถยนต์พลังงานใหม่
4. การเสริมสร้างโครงสร้าง: เปลี่ยนประสิทธิภาพจาก "วัสดุเดี่ยว" เป็น "โครงสร้างคอมโพสิต"
ด้วยการเพิ่มขั้นตอนการเสริมแรงหรือการปรับปรุงเส้นทางการถ่ายโอนโหลด เทคโนโลยีการเสริมแรงโครงสร้างทำให้ชิ้นส่วนทำงานได้ดีขึ้นโดยรวมทางกลไก วิธีทั่วไปบางประการ ได้แก่:

การเสริมแรงด้วยไฟเบอร์: การใส่เส้นใยคาร์บอนหรือเซรามิกลงในเมทริกซ์โลหะเพื่อสร้างโครงสร้างวัสดุคอมโพสิต หลังจากการพิมพ์ โครงสร้างบางส่วนของเครื่องบินได้รับการปรับปรุงให้แข็งแกร่งขึ้นโดยการเพิ่มคาร์บอนไฟเบอร์แบบตัดสั้น ซึ่งทำให้มีความแข็งแกร่งขึ้น 30% ในแง่ของความแข็งแกร่งเฉพาะ
การออกแบบวัสดุที่มีการไล่ระดับสี: คุณสามารถเปลี่ยนคุณภาพของวัสดุได้โดยการเปลี่ยนส่วนผสมของผงหรือพารามิเตอร์การพิมพ์ ชิ้นส่วนที่พิมพ์ออกมาของวาล์วพลังงานนิวเคลียร์มีโครงสร้างไล่ระดับที่ทำจากเหล็กกล้าไร้สนิมผสมนิกเกิล- ทำให้ทนทานต่อความล้าได้มากขึ้น 40% ในสภาพแวดล้อมการต่อทางกลทางความร้อน-
การออกแบบโครงสร้างขัดแตะ: การใช้การปรับโทโพโลยีให้เหมาะสมเพื่อสร้างโครงสร้างขัดแตะน้ำหนักเบาที่เบากว่า 50% แต่ยังคงแข็งแกร่ง หลังจากพิมพ์ฉากยึดดาวเทียมเฉพาะแล้ว โครงสร้างโครงตาข่ายแบบเตตราฮีดรัลจะทำให้มีความแข็งเป็นสองเท่าและเบาลง 60%
3 ความจำเป็นในการประมวลผลภายหลัง-: การก้าวกระโดดจาก "ความเป็นไปได้ทางเทคนิค" ไปสู่ ​​"ความน่าเชื่อถือทางวิศวกรรม"
ความจำเป็นในการประมวลผลภายหลัง-ในการพิมพ์โลหะ 3 มิติเกิดขึ้นจากความขัดแย้งระหว่างคุณลักษณะพื้นฐานของเทคโนโลยีการผลิตแบบเติมเนื้อกับความต้องการที่เข้มงวดของการใช้งานทางวิศวกรรม โดยเฉพาะความจำเป็นจะเห็นได้ในด้านต่อไปนี้:

1. กำจัดข้อบกพร่องในการผลิตและตรวจสอบให้แน่ใจว่าผลิตภัณฑ์ทำงานได้ตามปกติ
ความเครียดจากความร้อนจากการทำความร้อนและความเย็นอย่างรวดเร็ว รูที่เกิดขึ้นเมื่อผงหลอมละลายไม่หมด และการยึดเกาะระหว่างชั้นที่อ่อนแอ ล้วนทำให้ชิ้นงานมีความทนทานน้อยลงและมีแนวโน้มที่จะแตกหักตลอดกระบวนการพิมพ์ 3D โลหะ ตัวอย่างเช่น ขีดจำกัดความล้าของชิ้นส่วนโลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูง-ที่พิมพ์ด้วยนิกเกิล- โดยไม่ได้รับการบำบัดด้วย HIP อาจน้อยกว่า 50% ของชิ้นส่วนที่หลอม อย่างไรก็ตาม หลังจากการหลอมเพื่อขจัดความเค้นตกค้าง อายุการใช้งานความล้าของชิ้นส่วนที่หลอมอาจเกิน 80%

2. บรรลุเป้าหมายด้านประสิทธิภาพและขยายขอบเขตการใช้งานให้กว้างขึ้น
ข้อกำหนดสำหรับประสิทธิภาพของชิ้นส่วนจะแตกต่างกันไปอย่างมากขึ้นอยู่กับการใช้งาน ในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ ชิ้นส่วนต้องทำงานได้ดีในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง แรงกดดันสูง และการสั่นสะเทือนสูง ในด้านอุปกรณ์การแพทย์ ชิ้นส่วนต่างๆ จะต้องเข้ากันได้ทางชีวภาพและทนทานต่อการกัดกร่อนจากของเหลวในร่างกาย อุตสาหกรรมยานยนต์ให้ความสำคัญกับการทำให้ชิ้นส่วนมีน้ำหนักเบาและราคาถูกกว่า เทคโนโลยีหลังการประมวลผล-ทำให้ชิ้นงานที่พิมพ์ด้วยโลหะ 3D- สามารถตอบสนองความต้องการเฉพาะเหล่านี้ได้โดยการเพิ่มประสิทธิภาพเพื่อวัตถุประสงค์เหล่านั้น ตัวอย่างเช่น ห้องเผาไหม้ของเครื่องยนต์เครื่องบินบางประเภทยังสามารถส่งเสียงเชิงโครงสร้างได้ที่อุณหภูมิสูงถึง 1,200 องศาหลังจากพิมพ์แล้ว ต้องขอบคุณการบำบัดความร้อนและการเคลือบ หลังจากพิมพ์การปลูกถ่ายกระดูกเทียมโลหะผสมไทเทเนียมแบบกำหนดเอง ความหยาบของพื้นผิวลดลงเหลือ Ra0.2 μm ผ่านการขัดเงาด้วยกรด ซึ่งช่วยปรับปรุงการยึดเกาะของเซลล์กระดูกได้อย่างมาก

3. ทำให้เศรษฐกิจมีประสิทธิภาพมากขึ้นและกระตุ้นให้เกิดการใช้ประโยชน์ครั้งใหญ่
การพิมพ์โลหะ 3 มิติมีราคาถูกกว่าสำหรับการสร้างโครงสร้างที่ซับซ้อน แต่ค่าใช้จ่ายของวัตถุดิบ (เช่นผงโลหะผสมไททาเนียมซึ่งมีราคาหลายร้อยหยวนต่อกิโลกรัม) ค่าเสื่อมราคาของอุปกรณ์และพลังงานที่ใช้ยังค่อนข้างสูง เทคโนโลยีหลังการประมวลผล-ช่วยลดต้นทุนตลอดอายุการใช้งานโดยการใช้วัสดุได้ดีขึ้น (เช่น การนำผงกลับมาใช้ใหม่มากกว่า 80%) ลดอัตราของเสีย (เช่น การลดอัตราของเสียผ่านการตรวจจับแบบออนไลน์และการแก้ไขตามเวลาจริง-) และยืดอายุของชิ้นส่วน (เช่น ทำให้ชิ้นส่วนทนทานต่อการกัดกร่อนมากขึ้นผ่านการปรับสภาพพื้นผิว) ตัวอย่างเช่น สายการผลิตการพิมพ์ดุมล้อรถยนต์บางสายได้ลดเวลาในการผลิตหนึ่งชิ้นจาก 8 ชั่วโมงเหลือ 2 ชั่วโมงโดยการเพิ่มระบบประมวลผลหลัง-อัตโนมัติ ส่งผลให้ประหยัดต้นทุนได้ทั้งหมด 35%