ความหนาของผนังขั้นต่ำในการพิมพ์โลหะ 3D คือเท่าใด

วิศวกรคนหนึ่งได้ออกแบบโครงสร้างกระจายความร้อนน้ำหนักเบาด้วยผนัง 0.3 มม. และส่งไฟล์ถามว่าสามารถพิมพ์ได้หรือไม่ ซัพพลายเออร์ตอบกลับทันทีว่า "เป็นไปไม่ได้" ในอีกกรณีหนึ่ง ลูกค้าได้ออกแบบฉากยึดไทเทเนียมที่มีผนัง 0.8 มม. ส่วนที่พิมพ์ออกมาบิดเบี้ยวและแตกร้าว หลังจากการสอบสวนเท่านั้น พวกเขาพบว่าการออกแบบนั้นเกินขีดจำกัดของกระบวนการในทางปฏิบัติ

การพิมพ์ 3 มิติด้วยโลหะสามารถสร้างรูปทรงที่ไม่มีกระบวนการผลิตอื่นใดแตะต้องได้ - แต่ผนังบางเป็นที่ที่แม้แต่เครื่องจักรที่ดีที่สุดก็มีขีดจำกัด แล้วผอมจะผอมเกินไปขนาดไหน? และจะเกิดอะไรขึ้นเมื่อคุณก้าวข้ามเส้นนั้นไป?

เหตุใดความหนาของผนังจึงเป็นหนึ่งในพารามิเตอร์การออกแบบที่สำคัญที่สุดในการพิมพ์ 3 มิติด้วยโลหะ

"ความหนาของผนัง" มีความหมายอย่างไรในบริบทของ Metal AM

วิศวกรหลายคนสับสนแนวคิดที่เกี่ยวข้องแต่แตกต่างกันหลายประการ:

ความหนาของผนังขั้นต่ำ: ส่วนที่บางที่สุดที่กระบวนการสามารถผลิตได้อย่างน่าเชื่อถือ

ผนังที่รองรับกับผนังที่ไม่รองรับ: ผนังมีโครงสร้างรองรับระหว่างการพิมพ์หรือไม่

ขนาดคุณสมบัติขั้นต่ำ: พิน รู หรือส่วนยื่นที่เล็กที่สุด

ความหนาของเปลือกที่เชื่อมต่อถึงกัน: ความสมบูรณ์ของโครงสร้างโดยรวม

ความเข้าใจผิดที่พบบ่อยคือการถือเอา "เครื่องจักรสามารถพิมพ์ได้" กับ "ชิ้นส่วนจะทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือ" ช่องว่างนี้ตรงจุดที่มีประสบการณ์การสร้างต้นแบบโลหะด้วยการพิมพ์ 3 มิติพันธมิตรเพิ่มมูลค่าสูงสุด

เหตุใดผนังบางโดยพื้นฐานแล้วโลหะจึงแข็งกว่าพลาสติก

กระบวนการโลหะใช้ความหนาของชั้น 20–100 µm และขนาดลำแสงเลเซอร์ 50–200 µm โลหะยังมีอัตราการหดตัวที่สูงกว่า (1–3%) เมื่อเทียบกับพลาสติก (<0.5%). In thin sections, temperature gradients become extreme - sometimes exceeding 500°C per millimeter - leading to severe warping and residual stresses. This is a core challenge in การพิมพ์ด้วยเลเซอร์ในโลหะกระบวนการเช่น SLM และ DMLS

ความแตกต่างระหว่าง "พิมพ์ได้" และ "ใช้งานได้"

มีความแตกต่างอย่างมากระหว่างค่าต่ำสุดตามทฤษฎีของเครื่อง ค่าขั้นต่ำในการผลิตที่เชื่อถือได้ และความหนาที่จำเป็นสำหรับประสิทธิภาพเชิงกลที่แท้จริง ช่องว่างเหล่านี้มักจะอยู่ที่ 30–100% การทำความเข้าใจล่วงหน้าช่วยประหยัดเวลาและเงิน

ตารางที่ 1: ความหนาของผนัง

ความหนาของผนังขั้นต่ำโดยกระบวนการพิมพ์ 3 มิติด้วยโลหะ ตัวเลขจริง

SLM และ DMLS - เกณฑ์มาตรฐานสำหรับความสามารถของผนังบาง

ขณะนี้ SLM/DMLS นำเสนอประสิทธิภาพของผนังบาง-ที่ดีที่สุด ด้วยจุดเลเซอร์มาตรฐาน 50–100 µm และความหนาของชั้น 20–60 µm ค่าต่ำสุดตามทฤษฎีคือ 0.2–0.3 มม. ในการผลิตที่เชื่อถือได้ เราเห็นผลลัพธ์ที่สม่ำเสมอที่ 0.4–0.5 มม. สำหรับผนังที่รองรับ และ 0.6–0.8 มม. สำหรับส่วนที่ไม่ได้รับการสนับสนุน เพื่อประสิทธิภาพทางกลที่สม่ำเสมอในการใช้งานส่วนใหญ่ เราแนะนำให้ออกแบบให้มากกว่าหรือเท่ากับ 0.8 มม.

EBM (การหลอมลำแสงอิเล็กตรอน) - ลำแสงที่กว้างขึ้น ผนังที่หนาขึ้น

ลำอิเล็กตรอนที่มีขนาดใหญ่กว่า (0.2–1.0 มม.) จำกัดความสามารถของผนัง-ที่บางเมื่อเทียบกับ SLM ค่าต่ำสุดที่เชื่อถือได้คือ 0.6–1.0 มม. EBM เป็นเลิศกับไทเทเนียมสำหรับการปลูกถ่ายทางการแพทย์ เนื่องจากมีความเครียดตกค้างในสุญญากาศต่ำ

Binder Jetting - ระวังการหดตัวจากการเผาผนึก

ผนังที่พิมพ์ออกมาอาจมีความบาง แต่การหดตัวจากการเผาผนึก 15–20% มักจะทำให้เกิดการพังทลายหรือการบิดเบี้ยว โพสต์ที่เชื่อถือได้-ค่าซินเตอร์ขั้นต่ำคือ 1.0–1.5 มม.

DED และ Metal FDM - ไม่ใช่กระบวนการที่เหมาะสมสำหรับผนังบาง

สิ่งเหล่านี้เหมาะกว่าสำหรับส่วนประกอบที่ใหญ่กว่าและหนากว่า ผนังขั้นต่ำที่เชื่อถือได้เริ่มต้นที่ 1.5–3.0 มม.

การเลือกใช้วัสดุส่งผลต่อความหนาของผนังขั้นต่ำอย่างไร

สแตนเลส (316L, 17-4PH) - ให้อภัยได้มากที่สุดสำหรับผนังบาง

316L เป็นรุ่นที่ให้อภัยได้มากที่สุด โดยมีการผลิตขั้นต่ำที่เชื่อถือได้ประมาณ 0.5–0.8 มม. ใน SLM โดยมีอัตราความสำเร็จที่ยอดเยี่ยมสำหรับอุปกรณ์ทางการแพทย์และตัวกรองที่มีความแม่นยำ ในโครงการหนึ่งที่เราสนับสนุน โครงตาข่าย 316L ขนาด 0.6 มม. ทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือหลังจากการวางแนวและการบำบัดความร้อนอย่างเหมาะสม

ไทเทเนียม (Ti-6Al-4V) - แข็งแกร่งแต่ไวต่อความเครียดในส่วนที่บาง

ค่าการนำความร้อนต่ำของไทเทเนียมทำให้ผนังบางมีแนวโน้มที่จะเกิดความร้อนสูงเกินไปและการบิดเบี้ยว ค่าต่ำสุดที่เชื่อถือได้คือ 0.6–1.0 มม. การอบชุบด้วยความร้อนบรรเทาความเครียดที่เหมาะสม-ถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการใช้งานต้นแบบโลหะผนังบางในอวกาศ เราพบว่าชิ้นส่วนลดลงจาก 0.8 มม. เป็น 0.5 มม. หลังจาก DFM และการทดสอบอย่างละเอียดเท่านั้น

อะลูมิเนียม (AlSi10Mg) - น้ำหนักเบาแต่มีแนวโน้มที่จะบิดงอได้ในส่วนที่บาง

การขยายตัวทางความร้อนที่สูงของอะลูมิเนียมทำให้เป็นสิ่งที่ท้าทายที่สุดสำหรับผนังบาง เราขอแนะนำขั้นต่ำ 0.8–1.2 มม. เพื่อผลลัพธ์ที่เชื่อถือได้ในฉากยึดและกรอบน้ำหนักเบา

ซูเปอร์อัลลอยอินโคเนลและนิกเกิล - ความแข็งแรงสูง ความท้าทายสูง

โลหะผสมเหล่านี้ต้องการความหนาขั้นต่ำ 0.8–1.2 มม. เนื่องจากความยากลำบากในการหลอมโลหะในส่วนที่บาง แต่อัลลอยด์เหล่านี้ให้ประสิทธิภาพการทำงานที่อุณหภูมิสูง-โดดเด่น

ตารางที่ 2: ความหนาของผนังขั้นต่ำตามวัสดุ

ปัจจัยการออกแบบที่สร้างหรือทำลายความสำเร็จของผนังบาง

ผนังที่รองรับกับกำแพงที่ไม่รองรับ - ความแตกต่างที่สำคัญ

ผนังที่รองรับสามารถบางได้ถึง 0.4–0.5 มม. ผนังที่ไม่มีส่วนรองรับหรือคานยื่นควรอยู่ที่ 0.8–1.0 มม. หรือหนากว่านั้น เราได้เห็นหลายโครงการล้มเหลวเนื่องจากไม่มีการพูดคุยถึงความแตกต่างนี้ตั้งแต่เนิ่นๆ

ความสูงของผนัง-ถึง-อัตราส่วนความหนา - กฎอัตราส่วนภาพ

รักษาอัตราส่วนความสูง-ถึง-ความหนาให้ต่ำกว่า 20:1 เพื่อความน่าเชื่อถือ (เช่น ผนัง 0.5 มม. → ความสูงสูงสุด ~10–20 มม.) อัตราส่วนที่สูงกว่า 50:1 จะเพิ่มความเสี่ยงต่อความล้มเหลวอย่างมาก

Build Orientation - การตัดสินใจออกแบบที่ใหญ่ที่สุดสำหรับผนังบาง

การวางแนวตั้ง (ตั้งฉากกับผนังกับแผ่นฐานก่อสร้าง) จะดีที่สุด แนวนอนแย่ที่สุด การทบทวนแนวทางการออกแบบของบริษัทผู้ผลิตสารเติมแต่งโลหะที่ดีจะช่วยปรับสิ่งนี้ให้เหมาะสมอยู่เสมอ

การเชื่อมต่อผนังบางกับส่วนที่หนา - การออกแบบโซนการเปลี่ยนผ่าน

ใช้เนื้อเนื้อหนา (R มากกว่าหรือเท่ากับ 50% ของความหนาของผนัง) เพื่อหลีกเลี่ยงความเข้มข้นของความเค้นที่ทำให้เกิดการแตกร้าวที่ทางแยก

จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อผนังบางล้มเหลว

การแปรปรวนและการเสียรูป

ผนังบางไม่สามารถต้านทานความเค้นตกค้างได้อย่างมีประสิทธิภาพเท่ากับส่วนที่หนากว่า จากประสบการณ์ของเรา การบิดงอสามารถเพิ่มได้ 4–6× เมื่อลดความหนาจาก 2.0 มม. เป็น 0.5 มม.

ฟิวชั่นและความพรุนไม่สมบูรณ์ในส่วนที่บาง

หน้าตัดบาง-ทำให้บ่อหลอมที่เสถียรรักษาได้ยากขึ้น เพิ่มความพรุนและลดความแข็งแรงได้รุนแรงกว่าในบริเวณที่หนากว่า

ความหยาบของพื้นผิวจะแย่ลงตามสัดส่วนบนผนังบาง

เส้นเลเยอร์จะสังเกตเห็นได้ชัดเจนยิ่งขึ้น และ-หลังการประมวลผลอาจเสี่ยงต่อการทำลายโครงสร้างที่เปราะบาง

รองรับการกำจัดความเสียหายบนส่วนของผนังบาง

ผนังบางจะฉีกขาดหรือเสียรูปได้ง่ายในระหว่างการถอดส่วนรองรับหากไม่จัดการอย่างระมัดระวัง

การใช้งานในอุตสาหกรรม

การบินและอวกาศ

การเพิ่มประสิทธิภาพโทโพโลยีมักส่งผลให้ผนังหนา 0.8–1.5 มม. ซึ่งช่วยลดน้ำหนักลง 40–60% ในขณะที่เป็นไปตามข้อกำหนด AS9100

อุปกรณ์การแพทย์

โครงสร้างตาข่ายใช้สตรัท 0.3–0.6 มม. สำหรับการพิมพ์โลหะผนังบางของอุปกรณ์ทางการแพทย์ ความแข็งแรงที่สมดุลและการรวมตัวของกระดูก

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนและระบบของไหล

ผนังบาง (0.5–1.0 มม.) ปรับปรุงประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนได้อย่างมากถึง 25%

การออกแบบผนังบางส่งผลต่อต้นทุนและเวลาดำเนินการหรือไม่

ผนังบางมักต้องการความหนาของชั้นที่ละเอียดกว่า (20–30 µm) ซึ่งจะทำให้เวลาในการพิมพ์เพิ่มขึ้น 30–80% อัตราความล้มเหลวจะสูงกว่า และการประมวลผลหลัง-จะละเอียดอ่อนกว่า การทำงานร่วมกับซัพพลายเออร์ที่ให้การสนับสนุน DFM ที่แข็งแกร่งจะช่วยป้องกันการพิมพ์ซ้ำซึ่งมีราคาแพง

ติดต่อได้เลย

ผนังบางในการพิมพ์ 3 มิติด้วยโลหะไม่ได้เป็นเพียงมิติบนภาพวาด - แต่ยังเป็นการทำงานร่วมกันที่ซับซ้อนของกระบวนการ วัสดุ การออกแบบ และความเชี่ยวชาญของซัพพลายเออร์ ผนังบางเกรดวิศวกรรมที่เชื่อถือได้-มักจะเริ่มต้นที่ 0.8 มม. แม้ว่าบางแอปพลิเคชันจะดันให้ต่ำลงได้สำเร็จโดยการปรับให้เหมาะสมอย่างระมัดระวัง

สำหรับต้นแบบโลหะผนังบางด้านการบินและอวกาศครั้งต่อไปของคุณ การพิมพ์โลหะผนังบางของอุปกรณ์ทางการแพทย์ หรือโครงการโครงยึดน้ำหนักเบา โปรดส่งไฟล์ของคุณเพื่อรับการตรวจสอบ DFM ฟรี ทีมงานของเราเชี่ยวชาญในการสร้างต้นแบบโลหะด้วยการพิมพ์ 3 มิติการพิมพ์ 3 มิติด้วยโลหะและการพิมพ์ด้วยเลเซอร์ในโลหะพร้อมแนวทางการออกแบบที่ใช้งานได้จริงซึ่งเปลี่ยนแนวคิดที่ทะเยอทะยานให้กลายเป็นชิ้นส่วนที่ประสบความสำเร็จ

อ้างอิง

MarketsandMarkets 2024: ขนาดตลาดอุปกรณ์ AM โลหะความแม่นยำสูง- และการคาดการณ์ถึงปี 2028

รายงานของ Wohlers ปี 2023: อัตราการเติบโตของวัสดุผงโลหะใหม่และข้อมูลตลาด AM

เอกสารกระบวนการ EOS GmbH: แนวทางขนาดคุณสมบัติขั้นต่ำและความหนาของผนังของ SLM

เอกสารไวท์เปเปอร์ทางเทคนิคของโซลูชัน SLM: ขนาดลำแสงเลเซอร์ NXG XII 600 และความสามารถของผนังบาง

ASTM F3049 / ISO/ASTM 52900: มาตรฐานการออกแบบและการกำหนดคุณลักษณะของวัสดุ AM

ASM International - คู่มือการผลิตสารเติมแต่ง: กฎการออกแบบความหนาของผนังตามกระบวนการและวัสดุ