¿El tamaño de las partículas del polvo metálico afecta la calidad de impresión de los moldes?

一, La forma en que el tamaño de las partículas afecta la calidad de impresión: efecto sinérgico en más de una forma
1. El polvo se distribuye uniformemente: la densidad de la capa de polvo se basa en el tamaño de las partículas.
El primer paso en la impresión 3D de metal es la distribución del polvo, y su uniformidad tiene un impacto directo en la calidad inicial del molde. Las partículas de polvo que son pequeñas (menos de 15 μm) tienden a pegarse porque tienen mucha energía superficial. Esto puede provocar huecos o grumos en la capa de polvo. Por otro lado, si las partículas son demasiado grandes (más de 53 μm), pueden fluir bien pero limitan el espesor mínimo de la capa, lo que dificulta la creación de elementos finos como estructuras de paredes delgadas-. Por ejemplo, cuando se emplea polvo de acero inoxidable 316L con partículas de 15 a 45 μm de tamaño en el proceso SLM, el espesor de la capa de polvo se puede mantener entre 30 y 50 μm y la densidad de la capa de polvo puede alcanzar el 99,2 %. Pero a medida que el tamaño de las partículas supera este rango, la porosidad aumenta mucho.
Igualmente importante es la razonabilidad de la distribución del tamaño de las partículas. El uso de una distribución bimodal (mezcla de partículas gruesas y finas) ayuda a mejorar la densidad del empaquetamiento del polvo. Las partículas finas llenan los espacios entre las partículas gruesas, lo que aumenta la densidad del empaque suelto entre un 10% y un 15%. Esto reduce los defectos internos en el molde. Al mejorar la relación del tamaño de las partículas del polvo de Ti6Al4V (D50=35 μ m, D90=50 μ m), una empresa de aviación específica aumentó la densidad de los moldes de las palas de las turbinas del 98,5 % al 99,7 % y la vida útil a la fatiga en un 20 %.
2. Estabilidad de la piscina: un equilibrio entre el tamaño de las partículas y la absorción de energía que cambia con el tiempo
El baño fundido es la parte principal donde se funde el polvo metálico, y su estabilidad depende de qué tan bien el polvo absorbe la energía del rayo láser/electrón. Las partículas diminutas tienen una gran superficie específica y una rápida tasa de absorción de calor. Sin embargo, los polvos que son demasiado pequeños (como<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, la tasa de defectos de fusión parcial aumenta hasta el 15%.
La distribución desigual del tamaño de las partículas también puede causar desigualdades en la conducción del calor en ciertas áreas, lo que puede contribuir a la concentración de tensiones residuales. Un estudio encontró que la utilización de polvo de Inconel 718 con una amplia distribución de tamaño de partículas (10 a 100 μm) para imprimir moldes aumenta la tensión residual en un 30 % en comparación con una distribución restringida (20 a 50 μm). Esto hace que el riesgo de deformación por deformación sea mucho mayor.
3. Calidad y precisión de la superficie: control directo del tamaño de las partículas sobre la rugosidad
La rugosidad de la superficie del molde es una buena forma de saber qué tan bien va la impresión, porque es directamente proporcional al tamaño de las partículas de polvo. Cuanto más pequeñas sean las partículas, más lisa será la superficie. Sin embargo, si el polvo es demasiado fino, no fluye bien y puede causar una distribución desigual del polvo, lo que hace que la superficie sea más áspera. Por ejemplo, si utiliza moldes de impresión en polvo 316L con un D50 de 25 μm, puede mantener la rugosidad de la superficie Ra dentro de 8 μm. Pero si utiliza polvo con un D50 de 15 μm, el valor Ra será superior a 15 μm porque las partículas se pegan entre sí.
Al elegir el tamaño de las partículas para moldes estructurales complejos (como canales de enfriamiento conformes), es necesario encontrar un equilibrio entre precisión y facilidad de uso. Una empresa que fabrica moldes para automóviles pudo crear formas precisas con una apertura mínima de 0,5 mm utilizando polvo de acero envejecido martensítico con un tamaño de partícula de 30 a 60 μm. También se aseguraron de que la rugosidad Ra de la pared interior del canal fuera menor o igual a 10 μ m.
2, Adaptación del tamaño de partículas de procesos comunes: diferentes necesidades para SLM y EBM
1. Proceso SLM: una combinación de tamaño de partícula pequeño y alta precisión
La técnica SLM utiliza un láser como fuente de energía y el diámetro del punto concentrado suele estar entre 50 y 100 μm. Por lo tanto, debes elegir un polvo de grano fino-(15–53 μm) que coincida con el tamaño de la mancha. Las partículas finas pueden absorber rápidamente la energía del láser y crear un charco de fusión homogéneo, pero la cantidad de oxígeno debe mantenerse por debajo de 150 ppm para evitar inclusiones de óxido. Por ejemplo, al fabricar moldes para implantes ortopédicos de aleación de titanio, el polvo TC4 con un tamaño de partícula de 20 a 45 μm y un nivel de oxígeno de 80 ppm puede cumplir con los estándares de alta-precisión de tolerancia de apertura ± 0,02 mm y rugosidad superficial Ra < 5 μm.
2. El proceso EBM: encontrar un compromiso entre gran tamaño de partículas y alta eficiencia.
El método EBM utiliza un haz de electrones como fuente de energía. Sus propiedades de distribución de densidad de energía son mejores para fundir partículas gruesas (53–150 μ m). Las partículas gruesas pueden reducir la cantidad de capas de polvo, acelerar la impresión y reducir la tensión residual. Cuando una determinada empresa de motores de aviación utiliza EBM para fabricar moldes de discos de turbinas de aleación de alta temperatura-a base de níquel-, elige polvo con partículas de 60 a 105 μm de tamaño. La deformación por alabeo se mantiene dentro de 0,1 mm a una temperatura de precalentamiento de 700 grados y la velocidad de impresión es tres veces más rápida que la SLM.
3. Proceso de LENTES: hacer coincidir el tamaño de las partículas y la estabilidad de la alimentación del polvo
La técnica LENS (Laser Near Clean Forming) utiliza un enfoque de alimentación de polvo coaxial. Para garantizar que la alimentación de polvo sea estable, se debe elegir un polvo grueso con un tamaño de partícula de 105 a 180 μm. Las partículas gruesas pueden ayudar a evitar que el tubo de alimentación de polvo se obstruya, pero la velocidad de escaneo (600–1000 mm/s) debe ajustarse al nivel correcto para evitar fallas de fusión incompletas. Una empresa de reparación de moldes específica empleó la tecnología LENS para reparar moldes de fundición a presión-, empleando polvo de acero H13 con partículas de entre 120 y 150 μm de tamaño. Con una potencia de láser de 1000 W y una velocidad de escaneo de 800 mm/s, se encontró que la fuerza de unión metalúrgica entre la capa de reparación y el sustrato era de al menos 400 MPa.
3,Estrategia de optimización del tamaño de partículas: control completo del proceso desde la preparación hasta el post-tratamiento
1. Preparación de polvo: elegir entre aerosolización y tecnología PREP
La atomización de gas (GA) es ahora la forma más común de producir polvo, ya que es barata y funciona bien. Sin embargo, a menudo produce polvo satélite (partículas pequeñas que se adhieren a la superficie de partículas más grandes) y polvo hueco, lo que reduce la calidad de la impresión. El proceso de atomización con electrodo giratorio de plasma (PREP) puede producir polvos de alta-calidad con una esfericidad de más del 98 % y un contenido de polvo satélite de menos del 0,5 % fundiendo metal con electrodos giratorios de alta-velocidad. Sin embargo, el equipo es caro. Un fabricante de moldes-de alta gama ha mejorado la vida útil a la fatiga del polvo 316L elaborado mediante el proceso PREP de 100 000 ciclos a 500 000 ciclos.
2. Detección por tamaño de partícula:-detección en dos etapas y optimización de la gradación
Se puede utilizar un cribado en dos-etapas (como tamices de 30 μm y 53 μm) para obtener polvo con una distribución de tamaño de partícula estrecha. Esto detiene la dispersión desigual del polvo que se produce cuando se mezclan partículas gruesas y pequeñas. Al combinar polvos con diferentes tamaños de partículas, se puede mejorar la clasificación aumentando la densidad aparente. Mezclar un 20 % de polvo fino de 10 a 20 μm con un 80 % de polvo grueso de 30 a 50 μm, por ejemplo, puede aumentar la densidad aparente de 4,2 g/cm³ a ​​4,8 g/cm³.
3. Después del tratamiento: prensado isostático en caliente y pulido de la superficie.
El prensado isostático en caliente (HIP) puede llenar los orificios de los moldes y aumentar la densidad a más del 99,9%. Según un estudio, la resistencia a la fatiga de los moldes de Ti6Al4V que han sido tratados con HIP es un 40% mayor que la de los moldes que no han sido tratados. Pulir la superficie puede hacerla aún más suave. Por ejemplo, la tecnología de pulido electrolítico puede reducir la rugosidad de la superficie del molde de Ra10 μm a Ra0,2 μm, lo cual es suficiente para-moldes ópticos de alta gama y otros usos.