¿El pos-procesamiento afectará la precisión dimensional de las piezas metálicas impresas en 3D?

一, El vínculo entre los métodos de pos-procesamiento y la precisión de las dimensiones.
Hay tres tipos principales de pos-procesamiento para la impresión 3D de metal: procesamiento mecánico, tratamiento térmico y tratamiento de superficies. La forma en que las diferentes técnicas afectan la precisión dimensional es muy diferente.

1. Procesamiento mecánico: un arma-de doble filo para hacer las cosas más precisas
La forma más sencilla de corregir las discrepancias dimensionales es mediante procesamiento mecánico, como fresado CNC, rectificado y mecanizado por descarga eléctrica. Por ejemplo, después de imprimir un disco de turbina de motor de avión específico, el fresado de varillaje de cinco-ejes redujo el error de redondez de 0,1 mm a 0,02 mm y mejoró la rugosidad de la superficie Ra de 6,3 μm a 1,6 μm. Sin embargo, para mejorar la precisión del mecanizado, es necesario poder controlar con mucho cuidado el rendimiento del equipo y los parámetros del proceso. Por ejemplo, si la profundidad de corte es demasiado profunda o la velocidad de avance es demasiado rápida, las piezas pueden deformarse térmicamente. Si el desgaste de la herramienta no se reemplaza a tiempo, puede causar errores de mecanizado. Por ejemplo, una empresa no cambió la muela a tiempo, lo que provocó que aparecieran ondulaciones en la superficie de un lote de piezas de aleación de titanio. La tasa de desperdicio terminó siendo del 15%.

2. Tratamiento térmico: la batalla entre la liberación de estrés y los cambios de tamaño
El tratamiento térmico, que incluye recocido, enfriamiento y tratamiento en solución, cambia la microestructura del material para eliminar la tensión residual. Sin embargo, también puede afectar el tamaño del material. Por ejemplo, después de una solución sólida y un tratamiento de envejecimiento, la vida media de fractura de la aleación IN718 de alta-temperatura a 650 grados aumentó a 173 horas. Sin embargo, la tasa de contracción dimensional vertical fue del 0,3% y la tasa de contracción dimensional horizontal fue del 0,15%. Esta contracción desigual debe regularse mediante compensación de diseño (como dejar un margen de mecanizado de 0,5 mm) u optimización del proceso (como enfriamiento gradual). Una empresa que fabrica implantes médicos mejoró los parámetros del proceso de tratamiento térmico de modo que el tamaño de la prótesis porosa de aleación de titanio impresa en 3D solo varía ± 0,05 mm, lo que está dentro de los estándares de precisión de los implantes clínicos.

3. Tratamiento superficial: encontrar un equilibrio entre cambiar el tamaño de lo micro y lo macro.
El objetivo del tratamiento de la superficie (como el chorro de arena, el pulido o el pulido químico) es mejorar la superficie, pero también puede cambiar el tamaño en unos pocos micrómetros. Por ejemplo, una empresa que fabrica piezas de automóviles utiliza pulido químico para imprimir en 3D fundas de aleación de aluminio-refrigeradas por agua. Esto hace que la superficie sea menos rugosa, pasando de 12 µm a 0,8 µm, pero también reduce el diámetro de la cavidad interior en 0,02 mm ya que el material se disuelve. La empresa utiliza un proceso combinado de "pulido mecánico+pulido químico" para equilibrar la calidad de la superficie y la precisión dimensional. Primero, el pulido mecánico elimina defectos grandes y luego el pulido químico modifica la superficie a nivel nanoescalar. Esto mantiene la tolerancia dimensional dentro de ± 0,01 mm.

2, Control de los parámetros del proceso: la parte más importante para garantizar la precisión
Para asegurarse de que las dimensiones sean correctas, debe poder controlar con precisión los parámetros del procedimiento de pos-procesamiento. El mecanizado electroquímico (ECM) puede alcanzar una precisión sub-micrónica al disolver materiales capa por capa mediante procesos electroquímicos. Sin embargo, parámetros como la separación de los electrodos, la concentración de electrolitos y la frecuencia del pulso deben coincidir estrechamente:

Separación entre electrodos: una separación demasiado pequeña puede provocar fácilmente un cortocircuito, y una separación demasiado grande puede hacer que el mecanizado sea menos eficiente. Al vigilar la separación de los electrodos en tiempo real (regulada entre 10 y 50 μm), una determinada empresa ha aumentado la precisión del mecanizado de álabes de turbinas de aleación a base de níquel-impresos en 3D a ± 0,005 mm.
Concentración de electrolitos: si la concentración es demasiado alta, puede acelerar la disolución de los materiales, lo que puede provocar cambios de tamaño. Si la concentración es demasiado baja, puede generar un procesamiento desigual. Un equipo de investigación mejoró la fórmula del electrolito (manteniendo la concentración de NaCl entre 15 % y 20 %) de modo que la rugosidad de la superficie de los componentes de aleación de titanio impresos en 3D pasó de 3,2 μ m a 0,4 μ m, manteniendo los cambios de tamaño dentro de ± 0,01 mm.
Frecuencia de pulso: los pulsos de alta-frecuencia pueden disminuir los efectos del procesamiento de calor, pero también pueden generar vibraciones. Los pulsos de baja-frecuencia, por otro lado, hacen que el procesamiento sea menos eficiente. Cierta empresa emplea una frecuencia de pulso de 10 kHz para procesar artículos de acero inoxidable impresos en 3D. Esto garantiza que la fabricación sea eficiente y que las dimensiones tengan una precisión de ± 0,008 mm.
3. Diseñar una estrategia de compensación: un acuerdo "progresivo-para un control preciso
Durante la fase de diseño, se debe reservar una cierta cantidad de dinero para compensar el efecto del pos-procesamiento en el tamaño. Por ejemplo, el proceso de diseño de una determinada parte de un avión es el siguiente:

Diseño inicial: utilice el modelo CAD para determinar la forma geométrica de la pieza e identificar las tolerancias dimensionales importantes (por ejemplo, ± 0,05 mm).
Simulación del proceso: utilice el análisis de elementos finitos (FEA) para modelar la distribución de tensiones y la contracción dimensional que se produce durante el tratamiento térmico. Debería esperar una tasa de contracción vertical del 0,3 % y una tasa de contracción horizontal del 0,15 %.
Compensación de diseño: aumente el margen de mecanizado en 0,5 mm para dimensiones importantes y la tolerancia del contorno en 0,05 mm para lugares angulares (de 0,02 mm a 0,05 mm).
Verificación después del procesamiento: después del procesamiento mecánico, la diferencia entre el tamaño real de la pieza y el tamaño de diseño se mantiene dentro de ± 0,01 mm y la tasa de aprobación aumenta hasta el 98 %.
Además, cuando se trata de la construcción de la cavidad interior, es necesario pensar en la tasa de eliminación de material y el monto de la compensación. El diámetro interior de una camisa refrigerada por agua-impresa en 3D, por ejemplo, debe ser de 20 mm, con un margen de procesamiento de 0,1 mm. Después de ser arenado (con una tasa de eliminación de material de 0,02 mm/tiempo) y pulido mecánicamente (con una tasa de eliminación de material de 0,05 mm/tiempo), el diámetro interior final se estabiliza en 20,03 mm, que es lo que necesita la dinámica de fluidos.

4, Práctica de la industria: un caso modelo de control de precisión
Una empresa de la industria aeroespacial fabrica boquillas para motores de cohetes utilizando la técnica de "impresión SLM+prensado isostático en caliente (HIP)+mecanizado CNC". El tratamiento HIP elimina los poros internos (reduciendo la porosidad del 5 % al 0,1 %) y luego el mecanizado CNC controla la precisión del diámetro de la garganta de la boquilla dentro de ± 0,005 mm para satisfacer las necesidades de sellado en entornos de alta-presión y alta-temperatura.
En el campo médico, una empresa ortopédica creó una prótesis de articulación de cadera de aleación de titanio impresa en 3D-. La rugosidad de la superficie se redujo a 0,2 µm y la tensión interna se eliminó mediante el método de "tratamiento de recocido + pulido químico". La variación de tamaño se mantuvo dentro de ± 0,02 mm, lo que redujo en gran medida el peligro de adhesión bacteriana y problemas después de la cirugía.
En la industria del automóvil, una empresa fabrica placas de refrigeración para baterías de vehículos de nueva energía utilizando la tecnología "manguito de refrigeración por agua con impresión 3D + mecanizado electroquímico". El mecanizado electroquímico reduce la rugosidad de la superficie de la cavidad interior de 6,3 μm a 0,4 μm manteniendo la tolerancia dimensional en ± 0,01 mm. Esto hace que la refrigeración sea un 15% más eficiente.