Как минимизировать искажения и искажения во время обработки больших частей ампературой

Понимание деформации и искажения в крупных аддитивных производственных частях

В аддитивном производстве (AM) большие части, превышающие несколько сотен миллиметров по крайней мере в одном измерении, представляют собой уникальные проблемы постобработки. Изгиб, определяемый как отклонение от предполагаемой плоскости или кривизны, и искажение, более широкое изменение геометрии, являются одними из наиболее распространенных и дорогостоящих дефектов. Эти явления возникают из фундаментальной физики осаждения слой за слоем: по мере добавления каждого нового слоя он охлаждается и сжимается, в то время как нижележащие слои сопротивляются этому сокращению. Результатом является сложное взаимодействие тепловых градиентов и остаточных напряжений, которые могут вызывать постоянную деформацию, особенно в больших частях, где тепловая история значительно варьируется в объеме сборки.

Для производителей, стремящихся производить большие детали AM для аэрокосмических, автомобильных, оснасточных или энергетических приложений, даже небольшие варпажи могут привести к отказу, переделке или отказу в обслуживании. Это делает понимание и смягчение деформации и искажений во время постобработки критическим навыком. В то время как многие стратегии применяются на этапе печати, постобработки - включая удаление поддержки, отжиг, обработку и отделку поверхности - это то, где остаточные напряжения часто проявляются наиболее заметно. Эта статья погружается в причины, предотвращение и коррекцию деформации и искажений, предлагая действенные методы, основанные на материаловедении и инженерной практике.

Коренные причины деформации и искажения

Чтобы минимизировать деформацию, необходимо сначала понять ее драйверы. Основной причиной является термическое сокращение при охлаждении. В AM материал оседает в расплавленном или полурасплавленном состоянии на более холодную подложку или предыдущий слой. По мере того как новый слой затвердевает и охлаждается, он сжимается. Однако, основной материал уже охлаждается и более жесткий, поэтому он ограничивает усадочный слой. Это создает внутренние растягивающие напряжения в затвердевших слоях и сжимающие напряжения в новом слое. Над несколькими слоями эти напряжения накапливаются. Когда деталь удаляется из пластины сборки или во время постобработки тепловых обработок, дисбаланс напряжений может привести к изгибу, скручиванию или локальной деформации детали.

Другие факторы, способствующие этому, включают: неоднородные скорости охлаждения (например, толстые секции охлаждаются медленнее, чем тонкие секции), материальные фазовые преобразования (такие как мартенситное образование в сталях), ненадлежащая конструкция поддержки , которая не сдерживает деталь во время охлаждения, и механические силы , введенные во время обработки, зажима или обработки. Для больших частей сама гравитация может усугубить деформацию, если деталь не имеет достаточной жесткости во время неподдерживаемых фаз после обработки.

Методы измерения остаточного напряжения, такие как нейтронная дифракция, сверление отверстия или метод контура, часто используются для количественной оценки напряжений в больших частях АМ. Эти данные помогают инженерам проверять моделирование и совершенствовать параметры процесса. Основополагающая статья Мукерджи и др. (2019) обеспечивает всесторонний обзор моделирования остаточных напряжений и искажений в металлическом аддитивном производстве, предлагая понимание физики, которая регулирует деформацию.

Предпроцессуальные стратегии: дизайн для контроля искажений

Борьба с деформацией начинается задолго до того, как первый слой будет нанесен. Дизайн для аддитивного производства (DFAM) должен учитывать тепловое и механическое поведение.

Частная ориентация: Выравнивание длинных, тонких признаков вертикально или под углами может уменьшить количество нависших слоев, но также может создавать большие тепловые градиенты.
Оптимизация структуры поддержки: Поддержка делает больше, чем удерживает свесы; они действуют как радиаторы тепла и механические удерживающие устройства. Для больших частей опоры могут быть спроектированы с решетчатыми узорами или отрывными наконечниками для уменьшения площади контакта, при этом обеспечивая жесткость. Широко цитируемое исследование Strano et al. (2016) демонстрирует, как опоры решетки могут одновременно уменьшить использование материала и деформацию.
Толщина стенок и балансировка характеристик: Избегайте резких переходов от толстых к тонким секциям. Используйте филе и конические переходы для выравнивания скорости охлаждения. Добавление ребер или геометрия жесткости также может помочь поддерживать форму.
Включение функций снятия напряжения: Проектирование жертвенных вкладок, мостов или функций соответствия, которые могут быть позже удалены, позволяет детали вмещать силы сокращения без постоянного искажения.

Инструменты компьютерной инженерии (CAE), которые имитируют всю последовательность сборки и постобработки, все чаще используются для прогнозирования деформации. Эти инструменты вводят свойства материала, создают параметры и поддерживают конструкцию для вывода деформированной геометрии. Производители могут затем модифицировать оригинальную модель САПР с преддеформационным смещением, поэтому искаженная часть оказывается в допуске. Этот метод «компенсации» является мощным для больших частей, но требует точного моделирования.

Контроль в процессе печати

В то время как постобработка является основным направлением, решения, принятые во время печати, непосредственно влияют на искажение постпроцесса.

Постройте плиту предварительного нагрева

Предварительный нагрев строительной пластины до температуры вблизи стеклования материала или более низкая температура перекристаллизации уменьшает тепловой градиент между первыми слоями и пластиной. Многие промышленные системы АМ предлагают нагревательные камеры; для полимеров нагревательная камера при 80-150°С может значительно уменьшить деформацию. Для металлов распространено предварительное нагревание порошкового слоя.

Время слоя и время промежуточного охлаждения

В больших частях длительные периоды слоя приводят к чрезмерному охлаждению ранее нанесенных слоев перед следующим слоем, увеличивая остаточные напряжения. Использование минимального параметра времени слоя или вставка «пустынных» частей для занятия площади сборки может сохранять тепловую историю более равномерной. В некоторых материалах, позволяя короткое межслойное пребывание (например, 10-30 секунд) помогает уменьшить пиковые напряжения.

Заполните шаблоны и плотность

Для полимерного крупнозонного аддитивного производства (например, BAAM, LSAM) роль играет схема заполнения. Сетка или треугольная заправка могут распределять напряжение более равномерно, чем прямолинейная модель. Заполнения с более низкой плотностью уменьшают внутренние напряжения, но могут привести к большему искажению после удаления поддержки - компромисс, который должен быть проанализирован.

Мониторинг на местах

Термические камеры и тензодатчики, размещенные на пластине сборки или детали, могут обеспечивать обратную связь в режиме реального времени. Если деформация обнаружена на ранней стадии, параметры могут быть отрегулированы (например, повышение температуры кровати, снижение скорости подачи) для смягчения дальнейшего отклонения. Коррекция в режиме реального времени является активной областью исследований; см. обзор по Ван и др. (2020) для последних достижений в мониторинге и контроле на месте.

Постпроцессинговые методы для минимизации деформации

После завершения сборки необходима тщательная постобработка. Следующие шаги должны быть интегрированы в контролируемый рабочий процесс.

Контролируемое охлаждение в послепроцессорной камере

Сразу после печати детали и пластину сборки следует разрешить охлаждать в контролируемой среде. Для полимеров, оставляя деталь в нагреваемой камере и скатываясь вниз, температура при 1-5°C в минуту уменьшает тепловой удар. Для металлов стандартно пост-строительное охлаждение в машине или в отдельной печи. Ключ заключается в том, чтобы избежать сквозняков или холодных поверхностей, вызывающих неравномерное охлаждение. Активный температурный контроль с помощью вторичной камеры может удерживать большие детали при равномерной температуре до тех пор, пока они не станут механически стабильными.

Стрессовая помощь отжига

Для металлических деталей наиболее эффективным этапом постобработки является снижение остаточного напряжения. Для металлических деталей термический цикл ниже температуры перекристаллизации (обычно 500-700°С для сталей, 300-400°С для алюминиевых сплавов) в течение 1-4 часов с последующим медленным охлаждением может снизить напряжение до 80%. Для полимеров отжига при 10-20°С ниже температуры стеклования (например, 80°С для PLA, 160°С для PEEK) в течение нескольких часов снимает внутреннее напряжение. Отжиг лучше всего выполнять, пока деталь находится на строительной пластине или удерживается в крепежной установке для предотвращения искажений во время процесса релаксации напряжения.

Удаление поддержки с минимальной силой

Большие части часто имеют обширные опоры. Агрессивное удаление - с использованием долот, молотков или струй воды высокого давления - может вводить новые напряжения. Вместо этого используйте бесконтактные методы: для металлов, провода EDM для резки опор; для полимеров, растворимых опоры или использовать плоскогубцы с низкой силой. Если планируется снятие теплового напряжения, оно должно быть выполнено до удаления опоры, чтобы позволить напряжениям уравнять, в то время как деталь все еще ограничена.

Фиксация для обработки и отделки

При обработке крупных деталей АМ необходимо распределить усилия зажима, чтобы избежать введения новых искажений. Используйте мягкие челюсти, вакуумные щипцы или специальные приспособления, поддерживающие деталь в нескольких точках. Для очень больших деталей рассмотрите обработку в нескольких установках, чередуя между шагами снятия напряжения. Хорошо спроектированный приспособление должно не только надежно удерживать деталь, но и позволять ей «расслабляться» в своем естественном напряжении до окончательных разрезов. Для сложных геометрий 5-осевая обработка с адаптивными траекториями инструментов может следовать за искаженной формой, а не заставлять деталь соответствовать.

Горячее изостатическое прессование (HIP)

Для критических металлических компонентов HIP устраняет внутреннюю пористость и одновременно снижает остаточное напряжение. HIP при высокой температуре и изостатическом давлении может исправить незначительные искажения, но является дорогостоящим и обычно предназначен для аэрокосмических или медицинских деталей. Это не основное исправление искажений, но может помочь консолидировать материал и придать форму почти сетки.

Материально-специфические соображения

Различные классы материалов AM представляют различные деформирующие поведения.

Полимеры (PLA, ABS, Nylon, PEEK): Полукристаллические полимеры, такие как PEEK, подвергаются значительной усадке при кристаллизации. Медленное охлаждение и отжиг при точных температурах имеют решающее значение. Аморфные полимеры, такие как ABS, деформируются из-за высоких коэффициентов теплового расширения; нагреваемая камера и правильная адгезия кровати имеют первостепенное значение.
Алюминиевые сплавы (AlSi10Mg, Scalmalloy):Алюминий обладает высокой теплопроводностью, что снижает тепловые градиенты, но также означает быстрое рассеивание тепла, увеличивая остаточное напряжение в толстых секциях.Рельеф от стресса при 300°С является обычным явлением.Деформирование в тонкостенных алюминиевых частях может быть смягчено с помощью опор в качестве теплоотводов.
Титановые сплавы (Ti-6Al-4V): Высокая прочность и низкая теплопроводность приводят к крутым тепловым градиентам и высоким остаточным напряжениям. Пост-строительное вакуумное снятие напряжения при 650-730°С является стандартным. Следует соблюдать осторожность, чтобы избежать загрязнения кислородом — таким образом, рекомендуется вакуумная печь.
Стальные сплавы (316L, 17-4PH, H13): Стальные детали, особенно инструментальные стали, подвержены фазовым трансформациям. Мартенситическая трансформация в H13 при охлаждении может вызвать значительные искажения. Субнулевые обработки и несколько циклов закалки помогают стабилизировать размеры.

Производители материалов предоставляют таблицы данных с рекомендуемыми параметрами сборки и циклами постобработки. Например, руководство по материалам EOS предлагает конкретные графики термообработки для многих их сплавов.

Стратегии измерения и инспекции

Для подтверждения того, что деформация и искажение находятся под контролем, инспекция должна быть интегрирована в рабочий процесс после обработки.

Координатные измерительные машины (CMM): Для проверки высокой точности критических данных.
Структурированное сканирование света или КТ: Анализ отклонений полного поля быстро выявляет искривленные области. Особенно полезен для больших частей, где ручное измерение непрактично.
Диальные индикаторы и тензодатчики: Простые, но эффективные для мониторинга движения на этапах после обработки, таких как удаление поддержки или термообработка.

Измерение в процессе после обработки (например, после отжига и до окончательной обработки) позволяет итеративную коррекцию. Если деформация превышает толерантность, может потребоваться дополнительное снятие напряжения или повторное фиксирование. петля обратной связи - измерение, моделирование, корректировка - является стандартной практикой для больших деталей с высокой стоимостью.

Тематическое исследование: снижение искажений в большой аэрокосмической кронштейн

Производитель, производящий кронштейн Ti-6Al-4V длиной 600 мм для установки аэрокосмического двигателя, испытал 2,5 мм деформации после удаления опоры, что значительно превышает допуск 0,5 мм. В результате осуществления следующих изменений они сократили деформацию до 0,3 мм:

Преддеформация на основе моделирования: CAD был модифицирован с смещением 1,8 мм в направлении деформации.
Предварительно нагретая сборная пластина до 200°C и используемая 4-часовая разгрузка при 700°C в вакууме перед удалением детали из пластины.
Разработанные древовидные опоры с оптимизированными контактными точками для уменьшения теплового мостика при сохранении жесткости.
Использовался специальный крепеж с 12 регулируемыми точками зажима во время окончательной обработки, с шагом снятия напряжения между грубыми и финишными разрезами.

Этот итеративный подход, сочетающий моделирование, управление температурой и механическое удерживание, является золотым стандартом для больших деталей AM.

Заключение

Минимизация деформации и искажений в крупных частях АМ требует вид на уровне систем, который охватывает проектирование, печать и последующую обработку. Ни одно исправление не работает для всех материалов или геометрий; скорее, успех приходит от интеграции контролируемого охлаждения, правильной фиксации, отжига снятия напряжения и тщательной поддержки проектирования. Достижения в моделировании и на месте мониторинга продолжают улучшать предсказуемость, в то время как новые материалы и технологии постобработки (такие как микроволновое отжиг или индукционная термообработка) предлагают дополнительные возможности. Применяя стратегии, изложенные в этой статье, производители могут достичь точности размеров, необходимой для требовательных приложений, уменьшая затраты на утилизацию и переработку при одновременном повышении надежности деталей.

Для дальнейшего чтения о снижении остаточного напряжения в крупных частях АМ, проконсультируйтесь с работой Liu et al. (2021) о влиянии постпроцессной термообработки на искажение направленного осаждения энергии. Понимание взаимодействия между материаловедением и технологической инженерией является ключом к освоению крупного аддитивного производства.