Nabewerkingsproces voor metaal-SLM-printen: de volledige methode van spanningsontlasting tot oppervlakteafwerking

Inleiding: het belang van nabewerking

Metaal-SLM-geprinte onderdelen hebben door hun snelle stolling last van hoge restspanningen, een ruw oppervlak en een niet-uniforme microstructuur. Nabewerking is de sleutelstap om deze defecten te elimineren en aan de uiteindelijke prestatie-eisen te voldoen. Volgens statistieken bedraagt de nabewerkingskost van metaal-SLM-geprinte onderdelen 30-50% van de totale kosten, en de kwaliteit van de nabewerking heeft rechtstreeks invloed op de prestaties en levensduur van het product.

I. Restspanningen en vervorming

1.1 Bronnen van restspanningen

• Temperatuurgradiënt: snelle afkoeling van het smeltbad veroorzaakt een temperatuurgradiënt, wat thermische spanning oplevert
• Faseovergangsspanning: spanningen die ontstaan door faseovergangen tijdens het stollingsproces
• Opsluitingsspanning: spanningen veroorzaakt door de beperking door de bouwplaat en de geometrische beperking van het onderdeel

1.2 Kenmerken van de spanningsverdeling

Een drukspanning aan het oppervlak is gunstig voor de vermoeiingsprestaties, terwijl een trekspanning in het interieur scheurvorming kan veroorzaken; bij scherpe randen en hoeken en dunwandige structuren treedt sterke spanningsconcentratie op.

II. Warmtebehandeling voor spanningsontlasting

2.1 Spanningsarm gloeien

Roestvast staal 316L: 450-550℃ × 2-4h, ovenafkoeling. Titaniumlegering Ti6Al4V: 600-650℃ × 2-4h, ovenafkoeling. Aluminiumlegering AlSi10Mg: 250-300℃ × 2-3h, ovenafkoeling. Gereedschapsstaal H13: 550-650℃ × 3-5h, ovenafkoeling. Inconel 718: 720-750℃ × 4-6h, ovenafkoeling.

2.2 Eisen aan de apparatuur

Vacuümoven met een vacuümgraad van <10⁻² Pa, geschikt voor titaniumlegeringen en superlegeringen op hoge temperatuur. Argonbeschermde oven met een zuurstofgehalte van <10 ppm. Stikstofbeschermde oven geschikt voor roestvast staal en gereedschapsstaal. Temperatuuruniformiteit ±5℃.

III. Verwijderen van ondersteuningen

3.1 Mechanisch verwijderen

Handmatig bewerken is geschikt voor eenvoudige structuren, verspanen heeft een hoge efficiëntie en goede nauwkeurigheid, draadvonken is geschikt voor complexe structuren met hoge precisie, en slijpen is geschikt voor harde materialen.

3.2 Elektrochemisch verwijderen

Het principe is elektrochemische oplossing, geschikt voor interne holtes en ondersteuningen. De elektrolyt is een zoutoplossing of zuur-oplossing, met een stroomdichtheid van 10-50 A/cm². Voordelen zijn goede toegankelijkheid; nadelen zijn de lage snelheid en de noodzaak van nabehandeling/reiniging.

IV. Versterking door warmtebehandeling

4.1 Oplossingsbehandeling en verouderingsbehandeling

Titaniumlegering Ti6Al4V: oplossingsbehandeling 900-950℃, veroudering 540-600℃. Inconel 718: oplossingsbehandeling 950-980℃, veroudering 720+620℃. Gereedschapsstaal H13: oplossingsbehandeling 1020-1050℃, veroudering 550-600℃, hardheid tot 50 HRC.

4.2 Heet isostatisch persen (HIP)

Temperatuur bepaald op basis van het materiaal, druk 100-200 MPa, tijd 2-4 uur. Effect: dichtheid >99,9%, vermoeiingsprestaties verbeteren met 30-50%.

V. Oppervlaktebehandeling

5.1 Oppervlakteruwheid

Geprinte zijkant Ra 5-15μm, geprinte bovenzijde/onderzijde Ra 15-40μm, na stralen Ra 3-6μm, na polijsten Ra 0.2-1.0μm, na verspanen Ra 0.8-3.2μm.

5.2 Kugelstralen

Doel is het introduceren van drukspanning aan het oppervlak om de vermoeiingsprestaties te verbeteren; het medium is stalen kogel of glasparels, de intensiteit is doorgaans 0.2-0.6 mmA, dekking >100%, effect: vermoeiingslevensduur verbetering met 30-100%.

VI. Praktische toepassingscases

Schoepen van vliegtuigmotoren (Inconel 718): draadvonken voor scheiding → spanningsarm maken bij 750℃ × 4h → HIP 1180℃/150 MPa/4h → oplossings- en verouderingsbehandeling → verspanen → elektrochemisch polijsten → fluorescentie-inspectie. Medische implantaten (titaniumlegering Ti6Al4V): mechanisch verwijderen van ondersteuningen → stralen → beitsen en passiveren → spanningsarm gloeien → HIP → eindpolijsten → reinigen en verpakken. Matrijs-/vormonderdelen (gereedschapsstaal H13): ondersteuningen verwijderen door verspanen → spanningsarm gloeien → harden + ontlaten → kritieke vlakken verspanen → polijsten → nitreren.

Conclusie

Nabewerking van metaal-SLM-geprinte onderdelen is de sleutelstap om de uiteindelijke prestaties te waarborgen. Door een passende spanningsontlasting, warmtebehandelingsversterking en oppervlaktebehandeling kunnen de mechanische eigenschappen en gebruiksduur van onderdelen aanzienlijk worden verbeterd.