Metal tozunun parçacık boyutu kalıpların baskı kalitesini etkiler mi?

一, Parçacık boyutunun baskı kalitesini etkileme şekli: birden fazla şekilde sinerjik etki
1. Toz eşit şekilde yayılır: Toz katmanının yoğunluğu parçacıkların boyutuna bağlıdır.
Metal 3D baskının ilk adımı toz dağıtımıdır ve bunun ne kadar düzgün olduğu, kalıbın başlangıç ​​kalitesi üzerinde doğrudan etkiye sahiptir. Küçük (15 μm'den küçük) toz parçacıkları, çok fazla yüzey enerjisine sahip olduklarından birbirine yapışma eğilimindedir. Bu, toz tabakasında boşluklara veya topaklanmalara neden olabilir. Öte yandan, parçacıklar çok büyükse (53 μm'den fazla), iyi akabilirler ancak minimum katman kalınlığını sınırlayarak ince-duvarlı yapılar gibi ince özelliklerin oluşturulmasını zorlaştırırlar. Örneğin, SLM işleminde partikülleri 15 ila 45 μm olan 316L paslanmaz çelik tozu kullanıldığında, toz katmanının kalınlığı 30 ila 50 μm arasında tutulabilmekte ve toz katmanının yoğunluğu %99,2'ye ulaşabilmektedir. Ancak parçacık boyutu bu aralığın üzerine çıktıkça gözeneklilik de artar.
Parçacık boyutlarının dağılımının makul olması da aynı derecede önemlidir. İki modlu bir dağılım kullanmak (kaba ve ince parçacıkların karıştırılması), toz paketleme yoğunluğunun iyileştirilmesine yardımcı olur. İnce parçacıklar, kaba parçacıklar arasındaki boşlukları doldurarak gevşek paketleme yoğunluğunu %10 ila %15 artırır. Bu, kalıptaki iç kusurları azaltır. Belirli bir havacılık şirketi, Ti6Al4V tozunun parçacık boyutu oranını (D50=35 μ m, D90=50 μ m) iyileştirerek, türbin kanadı kalıplarının yoğunluğunu %98,5'ten %99,7'ye ve yorulma ömrünü %20 artırdı.
2. Havuz stabilitesi: parçacık boyutu ile enerji emilimi arasında zamanla değişen bir denge
Erimiş havuz, metal tozunun eridiği ana kısımdır ve stabilitesi, tozun lazer/elektron ışını enerjisini ne kadar iyi emdiğine bağlıdır. küçük parçacıklar geniş bir spesifik yüzey alanına ve hızlı bir ısı emme oranına sahiptir. Ancak çok küçük tozlar (örneğin<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 μm'de kısmi füzyon kusurlarının oranı %15'e kadar çıkmaktadır.
Eşit olmayan parçacık boyutu dağılımı, belirli alanlarda ısı iletiminde eşitsizliklere de neden olabilir ve bu da artık gerilim konsantrasyonuna katkıda bulunabilir. Bir çalışma, kalıpları yazdırmak için geniş parçacık boyutu dağılımına (10-100 μm) sahip Inconel 718 tozunun kullanılmasının, sınırlı bir dağılıma (20-50 μm) kıyasla artık gerilimi %30 artırdığını buldu. Bu, deformasyon riskini çok daha yüksek hale getirir.
3. Yüzey kalitesi ve doğruluğu: parçacık boyutunun pürüzlülük üzerinde doğrudan kontrolü
Kalıbın yüzey pürüzlülüğü, baskının ne kadar iyi gittiğini söylemenin iyi bir yoludur çünkü toz parçacıklarının boyutuyla doğru orantılıdır. Parçacıklar ne kadar küçük olursa yüzey o kadar pürüzsüz olur. Ancak toz çok inceyse iyi akmaz ve tozun eşit olmayan şekilde yayılmasına neden olabilir, bu da yüzeyi daha pürüzlü hale getirir. Örneğin 25 μm D50'li 316L toz baskı kalıpları kullanırsanız yüzey pürüzlülüğü Ra'yı 8 μm dahilinde tutabilirsiniz. Ancak D50 değeri 15 μm olan toz kullanırsanız parçacıklar birbirine yapıştığı için Ra değeri 15 μm'nin üzerinde olacaktır.
Karmaşık yapısal kalıplar (bu tür uyumlu soğutma kanalları) için parçacıkların boyutunu seçerken doğruluk ve kullanım kolaylığı arasında bir uzlaşma bulmanız gerekir. Arabalar için kalıp üreten bir şirket, 30-60 µm parçacık boyutuna sahip martensitik yaşlandırılmış çelik tozu kullanarak minimum 0,5 mm açıklıkta doğru şekiller oluşturabildi. Ayrıca su yolunun iç duvarının Ra pürüzlülüğünün 10 µm'ye eşit veya daha az olmasını sağladılar.
2, Ortak süreçlerin parçacık boyutu uyarlaması: SLM ve EBM için farklı ihtiyaçlar
1. SLM süreci: küçük parçacık boyutu ve yüksek doğruluğun birleşimi
SLM tekniği enerji kaynağı olarak bir lazer kullanır ve konsantre noktanın çapı genellikle 50 ila 100 μm arasındadır. Bu nedenle, lekenin boyutuna uygun ince-taneli bir toz (15–53 μm) seçmeniz gerekir. İnce parçacıklar, lazer enerjisini hızlı bir şekilde emebilir ve homojen bir eriyik havuzu oluşturabilir, ancak oksit kalıntılarını önlemek için oksijen miktarının 150 ppm'nin altında tutulması gerekir. Örneğin, titanyum alaşımlı ortopedik implantlar için kalıplar yapılırken, parçacık boyutu 20–45 μm ve oksijen düzeyi 80 ppm olan TC4 tozu, ± 0,02 mm açıklık toleransı ve Ra < 5 μm yüzey pürüzlülüğü gibi yüksek-hassas standartları karşılayabilir.
2. EBM süreci: Büyük parçacık boyutu ile yüksek verimlilik arasında bir uzlaşma bulun.
EBM yöntemi enerji kaynağı olarak bir elektron ışınını kullanır. Enerji yoğunluğu dağılım özellikleri, kaba parçacıkların (53–150 μm) eritilmesi için daha iyidir. İri parçacıklar toz katmanlarının sayısını azaltabilir, baskıyı daha hızlı hale getirebilir ve artık gerilimi azaltabilir. Belirli bir havacılık motoru şirketi, nikel-bazlı yüksek-alaşımlı türbin diski kalıpları yapmak için EBM'yi kullandığında, boyutu 60 ila 105 μm olan parçacıklara sahip tozu seçer. 700 derecelik ön ısıtma sıcaklığında çarpılma deformasyonu 0,1 mm dahilinde tutulur ve baskı hızı SLM'den üç kat daha hızlıdır.
3. LENS süreci: parçacıkların boyutunun ve toz besleme stabilitesinin eşleştirilmesi
LENS (Lazer Yakın Temiz Şekillendirme) tekniği, koaksiyel toz besleme yaklaşımını kullanır. Toz beslemenin stabil olduğundan emin olmak için parçacık boyutu 105 ila 180 μm olan kaba toz seçilmelidir. İri parçacıklar, toz besleme tüpünün tıkanmasını önlemeye yardımcı olabilir, ancak eksik füzyon hatalarını önlemek için tarama hızının (600–1000 mm/s) doğru seviyeye ayarlanması gerekir. Belirli bir kalıp onarım şirketi, basınçlı döküm kalıplarını sabitlemek için LENS teknolojisini kullandı ve boyutları 120–150 μ m olan H13 çelik tozu kullandı. 1000 W lazer gücü ve 800 mm/s tarama hızıyla, tamir katmanı ile alt tabaka arasındaki metalurjik bağlanma kuvvetinin en az 400 MPa olduğu bulundu.
3,Parçacık boyutunu optimize etme stratejisi: hazırlıktan-tedavi sonrasına kadar sürecin tam kontrolü
1. Toz hazırlama: Aerosolizasyon ve PREP teknolojisi arasında seçim yapma
Gaz atomizasyonu (GA), ucuz olması ve iyi çalışması nedeniyle artık toz yapmanın en yaygın yoludur. Ancak sıklıkla uydu tozu (daha büyük parçacıkların yüzeyine yapışan küçük parçacıklar) ve içi boş toz yapar, bu da baskı kalitesini düşürür. Plazma dönen elektrot atomizasyon işlemi (PREP), metali yüksek-hızlı dönen elektrotlarla eriterek %98'den fazla küreselliğe ve %0,5'ten az uydu tozu içeriğine sahip yüksek-kaliteli tozlar üretebilir. Ancak ekipman pahalıdır. Üst düzey bir kalıp üreticisi, PREP işlemi kullanılarak yapılan 316L tozun yorulma ömrünü 100.000 döngüden 500.000 döngüye çıkardı.
2. Parçacık boyutuna göre tarama: iki-aşamalı tarama ve derecelendirme optimizasyonu
Dar parçacık boyutu dağılımına sahip toz elde etmek için iki-aşamalı eleme (30 μm ve 53 μm elekler gibi) kullanılabilir. Bu, kaba ve küçük parçacıklar birbirine karıştırıldığında meydana gelen eşit olmayan toz yayılmasını durdurur. Farklı parçacık boyutlarına sahip tozları birleştirerek yığın yoğunluğunu artırarak sınıflandırmayı iyileştirebilirsiniz. Örneğin, 10–20 μm ince tozun %20'sini 30–50 μm kaba tozun %80'iyle karıştırmak, yığın yoğunluğunu 4,2 g/cm3'ten 4,8 g/cm3'e yükseltebilir.
3. Tedaviden sonra: sıcak izostatik presleme ve yüzeyin parlatılması
Sıcak izostatik presleme (HIP), kalıplardaki delikleri doldurabilir ve yoğunluğu %99,9'un üzerine çıkarabilir. Yapılan bir çalışmaya göre HIP ile işlem görmüş Ti6Al4V kalıplarının yorulma mukavemeti, işlem görmemiş kalıplara göre %40 daha fazladır. Yüzeyin parlatılması onu daha da pürüzsüz hale getirebilir. Örneğin, elektrolitik parlatma teknolojisi, kalıbın yüzey pürüzlülüğünü Ra10 μm'den Ra0,2 μm'ye düşürebilir; bu, üst düzey optik kalıplar ve diğer kullanımlar için yeterince iyidir-.