Wat zijn de belangrijkste stappen bij de na-verwerking van 3D-geprinte metalen onderdelen?

Metaal 3D-printtechnologie, met de voordelen van ‘gratis ontwerp en snelle prototyping’, is een populair handelsartikel geworden op gebieden als de lucht- en ruimtevaart, medische implantaten en de automobielindustrie. Geprinte onderdelen hebben echter vaak last van oppervlakteruwheid, hoge interne spanningen en onvoldoende maatnauwkeurigheid, waardoor een nauwgezette verfijning door middel van na-verwerking noodzakelijk is. Vandaag bespreken we de belangrijkste stappen bij de na-verwerking van 3D-geprinte metalen onderdelen.

1. Demontage van onderdelen en poederreiniging: Onderdelen uit de poederhoop graven

Onderdelen die zijn geprint met metaal 3D-printen (vooral poederbedfusie) worden laag voor laag van onder naar boven opgebouwd en worden na het printen volledig ingekapseld in poeder. De eerste stap is het 'graven naar schatten'-met behulp van een explosie-veilige stofzuiger of zeefapparatuur om eventueel achtergebleven poeder van het oppervlak van het onderdeel te verwijderen. Deze ogenschijnlijk eenvoudige stap is feitelijk van cruciaal belang voor de veiligheid-: metaalpoeder is brandbaar en explosief, dus het hanteren ervan moet gebeuren met een stofmasker en in een geventileerde omgeving.

Het demonteren van onderdelen is nog uitdagender en vereist vaardigheid. Onderdelen worden doorgaans met steunconstructies aan een basisplaat bevestigd. Traditioneel werd draad-elektro-ontladingssnijden (EDM) gebruikt (zeer nauwkeurig maar tijd-rovend). Veel fabrieken gebruiken nu bandzagen om sneller te zagen. Door spanningsharding kan het mes echter gemakkelijk vastlopen bij het zagen van taaie materialen zoals Inconel. In deze gevallen moeten de steunen handmatig worden afgebroken met een tang en moeten de overige steunpunten worden gereinigd met een slijpkop om krassen op het oppervlak van het onderdeel te voorkomen.

Ten tweede, Stress Relief Annealing: het losmaken van de kracht van het onderdeel

Tijdens het 3D-printen van metaal verwarmt en smelt de laser het poeder snel, gevolgd door snelle afkoeling en stolling. Dit proces zorgt voor een aanzienlijke restspanning binnen het onderdeel. Als het onderdeel niet wordt behandeld, kan het vervormen of zelfs barsten, net als een gebogen stuk ijzer. Bij spanningsarmgloeien worden hoge temperaturen gebruikt om de spanning in het metaal te verminderen.

Onderdelen van titaniumlegering worden bijvoorbeeld doorgaans gedurende twee uur verwarmd in een inertgasoven op 800 graden, gevolgd door langzame afkoeling. Het beheersen van de temperatuur en de afkoelsnelheid is cruciaal: een te hoge temperatuur kan tot oxidatie leiden, terwijl een te lage temperatuur kan resulteren in een onvolledige spanningsverlichting. Veel fabrieken kiezen voor vacuümovens, die, hoewel kostbaar, de oxidatie van het oppervlak minimaliseren.. 3. Versterking door warmtebehandeling: onderdelen "harder en harder" maken

Als gloeien bij stressverlichting ‘ontspannend’ is, dan is versterking door warmtebehandeling ‘training’. Door processen zoals afschrikken, temperen en oplossingsbehandeling kunnen de mechanische eigenschappen van onderdelen aanzienlijk worden verbeterd.

Afschrikken + tempereren: Dit is een combinatie van "hardheid en flexibiliteit." Voor onderdelen van martensitisch staal verhardt het materiaal bijvoorbeeld door hoge-temperatuurafkoeling (snelle afkoeling), gevolgd door lage-temperatuurafkoeling (langzame afkoeling) om broosheid te elimineren. Het resulterende onderdeel heeft een hoge hardheid en taaiheid, waardoor het geschikt is voor gebruik als snijgereedschap of mallen.

Oplossingsbehandeling: voor aluminiumlegeringen en op nikkel-gebaseerde legeringen worden legeringselementen opgelost bij hoge temperaturen, gevolgd door snelle afkoeling om een ​​oververzadigde vaste oplossing te vormen, waardoor de sterkte en corrosieweerstand van het materiaal worden verbeterd. Het wordt vaak gebruikt in vliegtuigmotorbladen.

4. Oppervlaktebehandeling: van "ruw" tot "fijn"

Het oppervlak van 3D-geprinte metalen onderdelen heeft vaak een ruwe, schuurpapier-textuur, die een directe invloed heeft op de slijtvastheid, corrosieweerstand en vermoeiingssterkte. Oppervlaktebehandeling is als het geven van een “verfraaiings- en huidverzorgingsbehandeling” aan onderdelen.

Zandstralen: Er worden glasparels of aluminiumoxidedeeltjes gebruikt om het oppervlak van een onderdeel met hoge snelheid te raken, waardoor resterend poeder wordt verwijderd en een gelijkmatig opgeruwd oppervlak ontstaat dat geschikt is voor later verven of verlijmen.

Chemisch polijsten/elektrolytisch polijsten: Voor onderdelen van roestvrij staal en titaniumlegeringen wordt bij chemisch polijsten zuur gebruikt om licht verhoogde delen op te lossen, terwijl bij elektrolytisch polijsten een elektrochemische reactie wordt gebruikt om het oppervlak vlakker te maken, waardoor een spiegel-achtige afwerking wordt verkregen. Dit proces wordt vaak gebruikt voor medische implantaten.

Coating/plating: PVD-coating vormt bijvoorbeeld een harde beschermlaag op het oppervlak van een onderdeel, waardoor de slijtvastheid wordt verbeterd. Bij het anodiseren van aluminiumlegeringen ontstaat een oxidefilm, waardoor de corrosieweerstand wordt verbeterd, een proces dat vaak wordt gebruikt voor behuizingen van mobiele telefoons.

5. Precisiebewerking: onderdelen op maat maken

De maatnauwkeurigheid van 3D-geprinte onderdelen ligt doorgaans rond ±0,1 mm, maar toepassingen in de lucht- en ruimtevaart en de medische wereld vereisen vaak ±0,01 mm of hoger. Dit vereist CNC-afwerking (frezen, draaien en slijpen) om "verfijning" te bereiken.

Na het printen moeten de turbinebladen van vliegtuigen bijvoorbeeld vijf--assige CNC-bewerkingen ondergaan om stroomkanalen te creëren die een uniforme koelluchtstroom garanderen. Medische implantaten, zoals heupgewrichten, vereisen een nauwkeurige bewerking van de pasvlakken om een ​​perfecte aansluiting op de menselijke anatomie te garanderen. Deze stap is een uitdaging vanwege de positionering: 3D-geprinte, complexe structurele onderdelen missen vaak standaard bewerkingsdatums en vereisen gespecialiseerde opspanningen voor een veilige opspanning.

VI. Inspectie en verificatie: Deel "Lichamelijk onderzoek"

De laatste na-verwerkingsstap is een 'fysiek onderzoek' om er zeker van te zijn dat het onderdeel vrij is van interne defecten en voldoet aan de maatnormen. Veel voorkomende inspectiemethoden zijn onder meer:

Röntgeninspectie: hiermee wordt de binnenkant van het onderdeel onderzocht op poriën en scheuren, vergelijkbaar met röntgenzicht.

Penetranttesten: Er wordt een fluorescerend middel op het oppervlak van het onderdeel aangebracht, waardoor scheuren in het oppervlak zichtbaar worden via een ontwikkelaar.

Coördinatiemeting: Er wordt een sonde gebruikt om de afmetingen van het onderdeel nauwkeurig te meten om naleving van de ontwerpvereisten te garanderen.

Na het afdrukken ondergaat een brandstofmondstuk van een vliegtuigmotor bijvoorbeeld een CT-scan om te verifiëren dat het stroompad onbelemmerd is, en wordt een coördinatenmeetmachine gebruikt om te verifiëren dat de mondstukdiameter binnen de tolerantie valt.

Samenvatting: Na-verwerking is de finishing touch van 3D-printen.

Na-verwerking bij 3D-printen van metaal is als het glazuren, snijden en polijsten van een stuk ruw aardewerk, om het uiteindelijk te transformeren in een mooi kunstwerk. Van demontage en poederverwijdering tot precisiebewerking: elke stap heeft invloed op de prestaties en kwaliteit van het onderdeel. Voor ingenieurs vereist de keuze van een na{4}}proces aanpassing aan hun specifieke behoeften: medische implantaten vereisen een evenwicht tussen biocompatibiliteit en oppervlakteafwerking, luchtvaartonderdelen leggen de nadruk op dichtheid en vermoeiingssterkte, en componenten voor consumentenelektronica geven prioriteit aan kosten en efficiëntie.

In de toekomst zullen, met de wijdverspreide adoptie van geautomatiseerde na{0}}verwerkingsapparatuur (zoals polijsten door robots en AI-aangedreven inspectie), de kosten en tijd van 3D-printen met metaal verder afnemen, en zal deze technologie evolueren van niche-high- naar massa-adoptie. Voor gewone lezers zoals wij zal het begrijpen van deze post-processen ons niet alleen helpen het jargon te ontcijferen dat vaak in technisch nieuws wordt aangetroffen, maar ons ook helpen begrijpen dat een ogenschijnlijk eenvoudig metalen onderdeel de vindingrijkheid van meer dan een dozijn precisieprocessen kan herbergen.