200 攝氏度的預(yù)熱是金屬 3D 打印的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),但這是一種妥協(xié),雖然預(yù)熱減少了殘余應(yīng)力,但另一方面這使粉末回收更加困難,并需要在打印工作結(jié)束時(shí)延長冷卻時(shí)間。據(jù)南極熊了解,通快公司的新一代 TruPrint 5000 打印設(shè)備(將在 TCT Asia 展會上展出,展位號 H60),就不再需要在較小的殘余應(yīng)力和粉末可回收性之間作出妥協(xié),這臺機(jī)器從一開始就為 500 度預(yù)熱設(shè)計(jì)和開發(fā),因此即使是 H11(1.2343)和 H13(1.2344)等高碳類模具鋼等材料,它也能提供完美的工藝穩(wěn)定性,并且殘留的粉末可以毫無問題地被回收。
含碳鋼的金屬 3D 打印中,殘余應(yīng)力和變形始終是一個(gè)問題,特別是在制造大型、大批量的部件時(shí)。特別是,當(dāng)幾何的橫截面面積出現(xiàn)大的波動時(shí),就會出現(xiàn)大的溫差,從而導(dǎo)致不均勻的散熱。部件中的熱誘導(dǎo)殘余應(yīng)力有可能會造成變形。在金屬 3D 打印過程中或之后,它就會分層(鼓起后從基板上脫離),有時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)裂縫。
一個(gè)有效的對策是在整個(gè)打印過程中保持基板的頂部溫度在 500 攝氏度。一方面,增加的預(yù)熱溫度減少了溫度差,另一方面,打印件的屈服強(qiáng)度也降低了,這兩個(gè)因素的結(jié)合意味著,在增材制造過程中,殘余應(yīng)力已經(jīng)減少。
△圖1:與 200 攝氏度的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相比, 500 攝氏度的預(yù)熱可以減少約 95% 的撓度(在懸臂上測量)
通快的研究表明,金屬 3D 打印中 500 攝氏度的預(yù)熱比目前 200 攝氏度預(yù)熱的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)減少了約 95% 的變形。因此,較低的熱應(yīng)力提高了幾何精度,這在打印過程之前和之后都有積極的影響:在設(shè)計(jì)階段,許多以前為防止變形、分層和開裂而必須的支撐結(jié)構(gòu)和模擬步驟被取消了。這增加了零件的設(shè)計(jì)自由度,隨后也減少了后期處理的工作量,因?yàn)樾枰鸪闹挝锔佟?/p>
△圖2:如果一個(gè)部件在 500 攝氏度的預(yù)熱下進(jìn)行 3D 打印, Ti6AI4V 部件中的殘余應(yīng)力就會大大降低(上)。這為設(shè)計(jì)開辟了全新的可能性,特別是在生產(chǎn)體積跳躍的更大規(guī)模的部件時(shí)。在 200 攝氏度時(shí),殘余應(yīng)力明顯增加(下)。這導(dǎo)致了更高的準(zhǔn)備和后處理工作,因?yàn)樾枰嗟哪M和支持設(shè)計(jì)。
500 攝氏度預(yù)熱的好處適用于所有部件的幾何形狀。盡管零件中的熱量分布因零件的幾何形狀而異,但通快已在測試中證明,高溫加工在所有情況下都有相同的效果。
使用金屬 3D 打印技術(shù)制造工具或模具的許多優(yōu)點(diǎn)已廣為人知 —— 它往往是此類任務(wù)的唯一可能的工藝。特別是要集成復(fù)雜的冷卻水路時(shí), 3D 打印具有無可比擬的優(yōu)勢。但直到現(xiàn)在,還有一個(gè)問題尚需解決 —— 高碳鋼的 3D 打印。因?yàn)樵摬牧系哪湍バ院涂蓲伖庑裕尮I(yè)界對其備受喜愛。然而,如果 H11/H13 在預(yù)熱 200 攝氏度的情況下進(jìn)行 3D 打印,在冷卻階段會形成硬而脆的馬氏體,這會導(dǎo)致部件中形成裂縫,因此,這類 H11/H13 材料的 3D 打印會讓廠家望而卻步。
現(xiàn)在, 500 攝氏度的預(yù)熱消除了這種限制。較高的基礎(chǔ)溫度減緩了冷卻過程,使其更加平穩(wěn),從而防止了不理想的馬氏體的形成。顯微鏡檢查顯示, 3D 打印的 H11/H13 部件的密度高達(dá) 99.99% 。它們在強(qiáng)度和硬度方面也接近于傳統(tǒng)生產(chǎn)的 H11/H13 部件。在拋光性方面也沒有區(qū)別。
△圖3:(左)在 1.2343 和 200 攝氏度的預(yù)熱下出現(xiàn)裂紋;(右)在 500 攝氏度時(shí)無裂紋。在后續(xù)步驟中,剩余的小缺陷可以通過退火來糾正。
圖4:由注塑公司德國 Reinhard Bretthauer GmbH 在 500 攝氏度下打印的 H11 的高拋光部件。該部件無裂紋,密度超過 99.9 % 。拋光性也相應(yīng)很高 —— 與傳統(tǒng)生產(chǎn)沒有明顯的區(qū)別。由于集成了冷卻水路,在注射成型中穩(wěn)定地生產(chǎn)塑料部件成為可能,而且周期時(shí)間也大大縮短。
更高的預(yù)熱也意味著更長的冷卻階段,根據(jù) 3D 打印工件的體積不同,冷卻時(shí)間可能會長達(dá) 20 小時(shí)。幸運(yùn)的是,通快的倉體可更換概念可以防止這些長時(shí)間的設(shè)備停機(jī) —— 一旦 3D 打印過程完成,成型倉就被移到一個(gè)單獨(dú)的冷卻站,機(jī)器可以立即裝上一個(gè)新的成型倉(如果需要的話,還有一個(gè)完整的供粉倉),并不間斷地運(yùn)行下一個(gè)打印作業(yè),而之前的成型倉則在外部冷卻下來。
500 攝氏度預(yù)熱的另一個(gè)可能的缺點(diǎn)是粉末的可回收性較差。由于較高的溫度會導(dǎo)致更多的氧化,這可能會降低 H11 粉末的可回收性。通快也能提供成熟有效的對策。
在生產(chǎn)開始前,整個(gè)成型倉都被充入氬氣。這就創(chuàng)造了一個(gè)殘余水分少,殘余氧氣含量非常低的系統(tǒng)氛圍,只有幾 ppm。在使用 H11 的壓縮測試中,化學(xué)測試表明,即使經(jīng)過幾個(gè)打印周期,粉末的氧含量也與新粉相同:由于氧化程度低,粉末仍然非常自由流動,顆粒不會相互粘連。因此,該粉末可以很容易地從冷卻管道中移除,例如,不會留下任何殘留物。
500 攝氏度預(yù)熱不僅提高了金屬 3D 打印零件的質(zhì)量,而且還提高了設(shè)計(jì)自由度。它還減少了后期處理,完美實(shí)現(xiàn)“一次就把事情做對”的高效加工。通過預(yù)熱,高碳模具鋼能被可靠地進(jìn)行 3D 打印。盡管在制造工作結(jié)束時(shí)冷卻時(shí)間較長,但可更換的倉體設(shè)計(jì)確保了設(shè)備的高可用性,而且回收和粉末的流動性不會因高溫處理而有明顯改變。
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