Преимущества обработки холодного распылителя для улучшения металлических 3d-печатных деталей

Металлодобавочное производство и ключевая роль постобработки

Металлическая 3D-печать, также известная как аддитивное производство, вышла далеко за пределы стадии прототипирования. Такие отрасли, как аэрокосмическая, автомобильная и медицинская промышленность, в настоящее время полагаются на лазерный порошковый сплав, плавление электронного пучка и струйное связывание для производства компонентов конечного использования с геометрией, которые ранее были невозможны. Однако, поскольку печатные детали выходят из строительной пластины, они редко отвечают строгим требованиям к механической прочности, поверхностной отделке или плотности, требуемой критическими приложениями. Именно здесь постобработка становится незаменимой. Среди новых методов, холодный распылитель после обработки выделяется как твердотельный метод, который может значительно повысить производительность металлических деталей, изготовленных с помощью добавок.

Процесс холодного распыления не совсем новый - он использовался в течение десятилетий в качестве технологии покрытия и ремонта в аэрокосмической и военной отраслях. Что нового, так это его целевое применение к металлическим частям, напечатанным на 3D-принтере. Депонируя мелкие металлические частицы на сверхзвуковых скоростях без их плавления, холодный распылитель может уплотнять, укреплять и совершенствовать поверхности печатных компонентов. В этой статье исследуются технология, ее преимущества, отраслевые приложения и то, как он сравнивается с другими маршрутами постобработки.

Что такое холодный спрей после обработки?

Холодный спрей представляет собой твердотельный процесс осаждения, при котором частицы металлического порошка - обычно от 5 до 50 микрометров в диаметре - ускоряются сверхзвуковым потоком газа (часто азота или гелия) к субстрату. Частицы воздействуют на поверхность с достаточной кинетической энергией, чтобы вызвать пластическую деформацию и механическое переплетение, образуя плотное покрытие или осаждение. Важно отметить, что температура процесса остается ниже точки плавления исходного материала, поэтому частицы связываются без окисления или фазового преобразования. Это отличает холодный спрей от методов термического распыления, таких как плазма или HVOF, которые полагаются на частичное или полное плавление.

При применении в качестве этапа постобработки металлических 3D-печатных деталей холодный спрей может выполнять несколько функций:

• Переосмысление: Заполняет связанные с поверхностью поры и внутренние пустоты, оставленные процессом печати.
• Укрепление: Добавляет слой механически легированного материала, который может улучшить срок службы усталости и прочность на растяжение.
• Поверхностная отделка: Уменьшает среднеарифметическую шероховатость (Ra) от типичных значений в виде напечатанных букв 10-20 мкм до значительно ниже 5 мкм.
• Ремонт: Восстанавливает изношенные или поврежденные участки без воздействия тепла на остальную часть.
• Функциональное покрытие: Откладывается другой материал (например, коррозионно-стойкий сплав на стали) для придания поверхностных свойств.

Способность адаптировать толщину отложений от десятков микрон до нескольких миллиметров делает холодный спрей гибким инструментом для улучшения деталей с минимальными отходами материала.

Основные преимущества холодного спрея после обработки

Улучшенные механические свойства

Одним из наиболее существенных преимуществ является улучшение механических характеристик. Аддитивно изготовленные металлические детали часто страдают от остаточной пористости (<1-5%, в зависимости от процесса), которая действует как участки инициации трещин при циклической нагрузке. Холодный спрей может уплотнять область около поверхности и даже проникать глубже вдоль взаимосвязанных пор. Исследования показали, что холодный спрей после обработки может увеличить конечную прочность на растяжение напечатанных деталей Ti-6Al-4V на 15-20% и продлить срок службы усталости в высоком цикле в два или более раза. Пининговый эффект высокоскоростных ударов частиц также вызывает сжимающие остаточные напряжения, которые дополнительно повышают усталостную стойкость.

Улучшенная поверхность Finish

В качестве напечатанных металлических компонентов обычно проявляют шероховатую поверхность из-за частично расплавленных частиц, лестничных эффектов или опорных конструкций. В то время как ручное измельчение и полировка могут достигать гладкой отделки, они занимают много времени и могут снизить точность размеров. Холодный спрей может использоваться для нанесения тонкого слоя, который заполняет долины и пики уровней. При соответствующих путях сопла и распределении размера порошка средняя шероховатость поверхности (Ra) может быть уменьшена с 15 мкм до 2-3 мкм, часто устраняя необходимость в последующей обработке. Это особенно ценно для медицинских имплантатов и компонентов обработки жидкости, где текстура поверхности влияет на производительность.

Снижение пористости и повышение целостности

Пористость является ахилловой пятой многих аддитивно изготовленных деталей, особенно тех, которые сделаны с помощью струйного связывания или селективного лазерного плавления с субоптимальными параметрами. Холодный спрей действует как «наполнитель пористости»: высокоскоростные частицы могут деформироваться в небольшие полости и связывать с окружающим материалом, герметизируя открытую пористость. Полученная композитная область имеет почти теоретическую плотность (до 99,5% или выше). Это имеет решающее значение для сосудов под давлением, гидравлических компонентов и частей, подверженных коррозионным средам, где питтинг может инициироваться в поверхностных порах.

Экологические и энергетические преимущества

Холодный спрей - это чистый, сухой процесс. Он использует только сжатый газ и порошок, без растворителей, кислот или высокотемпературных печей. Газ может быть переработан или нагрет умеренно (200-700 ° C) для повышения эффективности осаждения, но общее потребление энергии намного ниже, чем при горячем изостатическом прессовании (HIP) или термообработке. Кроме того, процесс производит очень мало отходов; неиспользованный порошок может быть собран и повторно использован, и толщина депозита точно контролируется. Для компаний, стремящихся уменьшить свой углеродный след и соблюдать строгие экологические правила, холодный спрей предлагает устойчивый путь постобработки.

Совместимость материалов и их версатичность

Холодный спрей может осаждать широкий спектр металлов и сплавов: чистую медь, алюминий, титан, никель, нержавеющую сталь, инконель и даже огнеупорные металлы, такие как тантал и вольфрам. Более интересно, что он может сочетать непохожие материалы. Например, медное покрытие может быть холодно распылено на алюминиевый 3D-печатный радиатор для улучшения теплопроводности, или коррозионностойкий никель может быть нанесен на стальную конструкционную часть. Это открывает дверь для функционально градуированных материалов и индивидуальных свойств поверхности без перепроектирования процесса печати.

Эффективность затрат и времени

По сравнению с альтернативными методами постобработки холодный спрей может быть быстрее и экономичнее. HIP, например, требует, чтобы деталь помещалась в печь высокого давления при температурах выше 1000 °C в течение нескольких часов, что не только потребляет значительную энергию, но также может вызвать рост зерна и искажение. Обработка дефектов поверхности удаляет материал и генерирует лом. Холодный спрей является аддитивным: он добавляет материал только там, где это необходимо. Для ремонтных применений он может продлить срок службы дорогих компонентов за долю стоимости замены. Процесс может быть автоматизирован роботизированными руками, что делает его пригодным для высокопроизводительных производственных линий.

Как холодный спрей применяется к 3D-печатным частям

Последующая обработка начинается после того, как напечатанная деталь была удалена из своей строительной пластины и очищена. Поверхность может быть слегка нарезана или обработана для удаления грубых неровностей, хотя холодный спрей часто может быть применен непосредственно к напечатанной поверхности с адекватной адгезией. Ключевые параметры включают:

• Давление и температура газа: Более высокие давления (до 50 бар) и умеренный предварительный нагрев (200-400 °C) увеличивают скорость частиц и эффективность осаждения. Гелий дает более высокие скорости, чем азот, но дороже.
• Расстояние и угол остановки: Оптимальное противостояние обычно составляет 10-30 мм. Угол насадки должен быть около 90° для максимальной прочности связи.
• Скорость подачи порошка и скорость прохождения: Необходимо соблюдать баланс для достижения желаемой толщины отложения без перегрева или чрезмерного наращивания.
• Множественные проходы: Сложные геометрии могут потребовать нескольких проходов, с перекрывающимися инструментальными путями для обеспечения равномерного покрытия.

После осаждения холодным распылением может быть применена конечная легкая механическая обработка или полировка, если требуются жесткие допуски.В некоторых случаях последующая термическая обработка может дополнительно улучшить диффузионное сцепление на интерфейсе, хотя это часто не требуется для механической блокировки.

Промышленные применения

аэрокосмическая

Aerospace является одним из первых, кто применяет холодный спрей для ремонта деталей, не напечатанных на 3D-принтере (например, компонентов шасси, корпусов магния). Для деталей аддитивного производства холодный спрей используется для ремонта кончиков лопастей, поверхностей уплотнения и структурных скобок. Поскольку процесс не создает зоны, подверженной воздействию тепла, нет риска деформации или изменения металлургии печатной структуры. Например, титановая 3D-печатная скоба с местным дефектом может быть холодно распылена порошком Ti-6Al-4V для восстановления целостности размеров и механической прочности, избегая дорогостоящей перепечатки.

автомобильный

Автомобильный сектор выигрывает от постобработки холодным распылителем для высокоэффективных компонентов двигателя, теплообменников и легких конструктивных деталей. Алюминиевые 3D-печатные впускные коллекторы могут быть холодно распылены тонким слоем алюминиево-кремниевого сплава для повышения износостойкости и уплотнения. Тормозные суппорты, изготовленные с помощью лазерного порошкового сплава, могут иметь свои поверхности, уплотняемые для устранения микроутечек в гидравлических системах. Холодный распыл также позволяет быстро ремонтировать дорогостоящие инструменты, такие как вставки литьевой формы, которые видят тяжелую тепловую цикличность.

Медицинские приборы

В медицинских применениях первостепенное значение имеют как отделка поверхности, так и биосовместимость. Имплантаты из кобальтохрома и титанового сплава, напечатанные с решетчатыми структурами, могут быть постобработаны холодным спреем для создания гладкой наружной оболочки при сохранении пористого интерьера для вспенения костей. Процесс также может наносить антибактериальные покрытия (например, медь или серебро) на хирургические инструменты из нержавеющей стали, не подвергая подложку высоким температурам, которые могут ухудшить твердость.

Энергетика и нефть и газ

Вентиляторы, крыльчатки насоса и теплообменники, изготовленные с помощью аддитивного производства, часто требуют устойчивости к эрозии и коррозии. Холодный спрей может наносить на эти компоненты твердые, износостойкие сплавы, такие как WC-Co или Stellite, продлевая срок службы в суровых условиях. В ядерном секторе холодный спрей использовался для ремонта трубок парогенератора и компонентов реактора; применение его к 3D-печатным частям является естественным расширением.

Толление и литье

Конформные охлаждающие каналы, напечатанные в стальных формах, улучшают время цикла, но поверхность формы должна быть плотной и без дефектов, чтобы избежать преждевременного отказа. Холодный спрей может использоваться для герметизации поверхности и нанесения высвобождающего покрытия (например, никель-PTFE композит). Аналогично, 3D-печатные мандрели для композитов могут быть усилены холодным распыленным металлом, чтобы выдерживать более высокие давления во время автоклавного отверждения.

Сравнение с другими методами постобработки

Холодный спрей не заменяет HIP для закрытия глубоко внутренней пористости, которая не связана с поверхностью, но для дефектов, связанных с поверхностью, и для добавления материала, он предлагает уникальные преимущества. Он также может применяться избирательно, в то время как HIP обрабатывает всю деталь равномерно. Для многих деталей аддитивного производства комбинация холодного спрея (для уплотнения и покрытия) с последующей термообработкой с снятием напряжения обеспечивает наилучший баланс свойств.

Проблемы и ограничения

Хотя холодный спрей является мощным инструментом, это не серебряная пуля.

• Качество сырья: Порошок должен быть свободен от агломератов и иметь последовательное распределение по размерам. Переработанный порошок может накапливать оксиды, уменьшая склеивание.
• Адгезия к 3D-печатным поверхностям: Очень грубые или очень гладкие печатные поверхности могут влиять на начальную адгезию. Часто требуется мягкая абразивная предварительная обработка.
• Управление толщиной склада: Для достижения плотных допусков размеров (<100 мкм) может потребоваться обработка после распыления.
• Материальные ограничения: Жесткие материалы, такие как керамика или интерметаллы, трудно распылять без растрескивания. Некоторые газомерзкие порошки не деформируются пластически в условиях окружающей среды.
• Доступ к соплу требуется. Внутренние полости или подрезы могут быть недоступны, если не используются специализированные сопла или роботизированные манипуляции.
• Капитальные инвестиции: Промышленные системы холодного распыления могут стоить сотни тысяч долларов. Услуги контрактного распыления являются более доступным вариантом для многих производителей.