干货分享:金属3D打印后处理步骤详解 

3D打印技术 /[后期]
发布时间: 2022-02-08 11:49
当3D打印金属零件完成打印后,只需将其从机器中拉出就可以开始使用,对吗? 差远了。

金属3D打印 (AM) 部件本质上是“焊接”到构建板上的,我们需要借助切割工具将其拿下来。除此之外,3D打印的部件在准备好使用之前仍需要系列后处理步骤。以下是与金属3D打印后处理零件相关的方法和大家分享。
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图 1. 构建完成后,金属3D打印零件被埋入粉末床中(来源:宾夕法尼亚州立大学 CIMP-3D)                

粉末去除:随着新层被添加到顶部,3D打印部件在粉末床融合系统中“向下”构建,这意味着部件在完成后被埋在粉末中。 在构建完成并且零件/构建板冷却后,机器操作员必须从构建工作台中移除所有粉末并筛分/过滤/回收以供以后使用。 这是打印完的第一步操作,只需要人工成本,花些时间。

应力消除:随着零件逐层构建,金属的加热和冷却会导致内部应力,在将零件从构建板上移除之前,必须消除内部应力。否则,零件可能会翘曲甚至破裂。 消除零件的应力需要一个足够大以适合整个构建板的烤箱或熔炉。 许多人建议使用具有惰性环境的烘箱,以尽量减少零件表面的氧化。事实上大家更喜欢真空炉,但是它的成本要高得多。
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图 2. 使用带锯从构建板上移除金属3D打印零件(来源:Wesley Hart,Imperial Machine & Tool Co.)                

移除零件:大多数公司使用电火花线切割从构建板上移除零件,这可能需要几个小时,具体取决于零件的数量和尺寸。但是许多机械车间开始使用带锯,因为它速度更快,效率更高,往往可以在几分钟内完成任务。 请记住,铬镍铁合金等材料在加工时会发生应变硬化,因此很难仅用带锯将它们从构建板上移除。

热处理: 热处理可以有效改善零件的微观结构和机械性能,几乎对所有3D打印金属零件都是必需的。在许多情况下,此步骤还需要一个能够调节温度和冷却时间的环境控制炉。热处理可能会影响零件的尺寸,因此大多情况下是在加工/完成零件之前对零件进行热处理。

热等静压: 许多航空航天公司开始使用热等静压(HIP)代替热处理,这在铸造行业中经常使用,以提高铸件的疲劳寿命。HIP系统的成本远高于熔炉/烤箱,并且由于其运行时的高压(100 兆帕或更高)而具有自己的安全措施。如果对零件进行了热等静压,通常不需要再对其进行热处理。
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图 3. 加工金属3D打印零件以满足公差要求(来源:Christian Joest,Imperial Machine & Tool Co.)

机加工: 需要对配合面、表面、螺纹、支撑结构等进行机加工,以确保成品零件的尺寸精度。很少有3D打印零件符合“预期”的规格,这就需要后期的加工来保证模型的尺寸精度。但建立加工基准可能很棘手,特别是对于使用3D打印制造的复杂、有机形状的零件。进入需要加工的内部通道或冷却通道也会增加成本,往往还需要特指的夹具。

表面处理:
还可能需要进行表面处理以提高零件的表面光洁度/质量、降低表面粗糙度、清洁内部通道或去除零件上部分未熔化的颗粒。表面粗糙度对零件的静态力学性能影响最大,关系到零件的耐磨性、耐蚀性和疲劳强度等。可采取机加工、化学腐蚀和喷丸等方式,但在一定程度上损伤了零件本身。

检验和测试:
在后处理之后,可能需要在后处理过程中的多个点使用白光/蓝光扫描、染料渗透检测、超声波检测、计算机断层扫描 (CT) 扫描等进行计量、检测和无损检测。还可能需要对样品部件进行破坏性测试并分析试样(例如拉伸棒)、粉末化学、材料微观结构等,以收集数据以帮助进行工艺鉴定并最终进行部件认证。如果具有内部通道、晶格结构和其他内部增强功能的3D打印零件可能还需要CT扫描以确保通道畅通、内部几何形状评估等。

事实上,金属3D打印比我们所想象的更加复杂,相对于树脂或者塑料打印来说,它需要更多的后处理工艺来辅助完成,才能得到最终理想的成品零件。
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