5 veelvoorkomende problemen met 3D-metaalprinten - en hoe u ze kunt oplossen

3D-metaalprinten heeft de afgelopen jaren indrukwekkende vooruitgang geboekt, waarbij bedrijven steeds meer investeren in de technologie voor zeer complexe, industriële toepassingen. Naast de voordelen van het produceren van lichtgewicht, geavanceerde metalen componenten, zijn er echter ook een aantal uitdagingen die moeten worden overwonnen tijdens het 3D-printproces van metaal. De tutorial van vandaag gaat in op de belangrijkste problemen bij het 3D-printen van metalen en hoe je ze kunt oplossen.

Metaal 3D-printen – een overzicht

Als het gaat om 3D-printen van metaal, zijn er verschillende printprocessen. Deze kunnen grofweg in drie groepen worden verdeeld:

• Kruisbedfusieprocessen (SLM, EBM)
• Directe energiedepositie (DED)
• Metalen bindmiddel spuiten

Kruisbedfusie is de meest gebruikelijke methode voor de productie van metalen onderdelen met behulp van AM, en omvat het gebruik van een laserstraal (SLM) of elektronenstraal (EBM) om selectief een laag poedermateriaal te smelten, gelijkmatig verdeeld over het bouwplatform.

Directe energiedepositie omvat een reeks technologieën en omvat doorgaans een proces waarbij het materiaal wordt gesmolten door een laser- of elektronenstraal voordat het op een bouwplatform wordt geplaatst. Het object wordt dan laag voor laag gevormd. Hoewel bij dit proces polymeren en keramiek kunnen worden gebruikt, wordt DED meestal gebruikt met metalen in poeder- of draadvorm.

Metalen bindmiddel spuiten   gebruikt een printkop om een ​​vloeibaar bindmiddel op poederlagen aan te brengen, die de poederdeeltjes laag voor laag samensmelten. Het gebonden poeder kan vervolgens eventueel worden geïnfiltreerd met een ander metaal (meestal brons) om een ​​hogere dichtheid te bereiken.

Elk van de processen heeft zijn sterke punten en beperkingen, maar er zijn veelvoorkomende problemen die zich in het algemeen voordoen bij het 3D-printen van metalen — en deze uitdagingen moeten zijn om de best mogelijke mechanische eigenschappen voor uw metalen 3D-geprinte onderdelen te bereiken.

5 veelvoorkomende problemen om op te letten 

1. Porositeit

3D-geprinte metalen onderdelen worden vaak geplaagd door een hoge porositeit, die optreedt tijdens het printproces omdat er kleine gaatjes en holtes in het onderdeel worden gevormd. Deze kleine, meestal microscopisch kleine poriën kunnen een lage dichtheid veroorzaken - hoe meer poriën er zijn, hoe lager de dichtheid van uw onderdeel. Ze kunnen ook direct de mechanische eigenschappen van een onderdeel beïnvloeden, waardoor het vatbaar is voor scheuren of andere schade, vooral bij blootstelling aan hoge belastingen.

Er zijn doorgaans twee hoofdredenen voor zeer poreuze 3D-geprinte metalen onderdelen:ofwel vanwege een probleem met de poederproductietechniek ofwel vanwege het 3D-printproces zelf. Zo kan door het gebruik van gasverneveling soms poriën in het poedermateriaal ontstaan. De meest voorkomende bron van dergelijke kleine gaatjes is echter het afdrukproces, wanneer de energie van het metaal onvoldoende is en het metaal daarom niet goed kan smelten. Het tegenovergestelde kan ook gelden:overmatige laserenergie kan ervoor zorgen dat de druppeltjes gesmolten materiaal gaan spatten, waardoor poriën ontstaan.

Hoe de porositeit van uw metalen onderdelen te verminderen

Gelukkig zijn er een aantal manieren om porositeit in uw 3D-geprinte metalen onderdelen te elimineren en sterkere, duurzamere onderdelen te krijgen:

• Aangezien de kwaliteit van het materiaal soms de oorzaak kan zijn van hoge porositeit, moet u ervoor zorgen dat u grondstoffen koopt van een vertrouwde leverancier.
• Porositeit die tijdens het afdrukproces wordt veroorzaakt, kan worden geëlimineerd door de parameters van uw printer af te stemmen.

• De juiste dichtheid kan worden bereikt met nabewerkingsmethoden, zoals heet isostatisch persen. Dit elimineert eventuele holtes en verbetert de mechanische eigenschappen van een 3D-geprint metalen onderdeel.
• Voor poederbedfusieonderdelen is infiltratie een andere optie voor nabewerking. Deze methode wordt gebruikt om de resterende holtes in het metalen deel te vullen.

2. Dichtheid

Industriële toepassingen van metalen 3D-geprinte onderdelen vereisen vaak hoge mechanische eigenschappen, daarom is de dichtheid van een onderdeel uiterst belangrijk. Wanneer een onderdeel onder cyclische spanningscondities werkt, zal de dichtheid bepalen of het onderdeel al dan niet zal bezwijken onder belasting. Met andere woorden, hoe lager de dichtheid van een onderdeel, hoe groter de kans dat het onder druk barst. Poederbedtechnologieën (SLM, EBM) kunnen onderdelen produceren met dichtheden van 98% en hoger, die cruciaal zijn voor stressvolle toepassingen.

De dichtheid van uw onderdelen verbeteren

Om ervoor te zorgen dat een onderdeel een constante kwaliteit en dichtheid heeft, is het noodzakelijk om de specifieke parameters van het materiaal te optimaliseren, zoals deeltjesgrootte, vorm, verdeling en vloeibaarheid. Deeltjes met een bolvorm kunnen bijvoorbeeld leiden tot een hogere dichtheid, omdat ze de maximale relatieve dichtheid kunnen bereiken in vergelijking met andere vormen.

Omdat er echter een reeks variabelen is die de dichtheid van een onderdeel kunnen beïnvloeden, is de algemene vuistregel om eerst de kwaliteit van uw metaalpoeder te overwegen en de parameters van het proces dienovereenkomstig aan te passen.

3. Reststress

Verwarmen en vervolgens afkoelen zijn de gemeenschappelijke kenmerken van de metaal AM-processen. Wanneer een onderdeel echter wordt blootgesteld aan dergelijke extreme thermische veranderingen, kan dit leiden tot restspanning. Restspanning heeft een ongunstige invloed op de integriteit van een gefabriceerd onderdeel, wat resulteert in verschillende vormen van vervorming. De hoogste concentratie restspanning wordt gevonden in het contactgebied tussen de onderkant van een geprint onderdeel en een printbed.

Het verminderen van reststress

Aangezien restspanning het verschil kan maken tussen een succesvolle metaalprint en structureel falen, moet dit probleem goed worden aangepakt, en er zijn een aantal manieren om dit te doen:

• Voorspellende modellering kan worden gebruikt om de juiste parameters, zoals warmte-inbreng en laagdikte, te schatten om componenten met een lage restspanning te bouwen.
• Het implementeren van ondersteuningsstructuren en het optimaliseren van de oriëntatie van onderdelen kan ook het optreden van restspanning minimaliseren.
• Het voorverwarmen van het printbed en het opbouwen van materiaal voordat het printen begint, vermindert de temperatuurgradiënten, die vaak de oorzaak zijn van de restspanning. Omdat EBM echter bij een lagere temperatuur werkt, is deze techniek succesvoller bij EBM dan bij SLM of DED.
• In poederbedfusieprocessen kan de 'eiland'-scanstrategie helpen om de opbouw van restspanningen te verminderen. Deze strategie werkt door het belichtingsgebied op te delen in kleinere secties, "eilanden" genoemd, en houdt de lengtes van scanvectoren korter.

4. Kraken en kromtrekken

Restspanning kan zeer destructief zijn, wat resulteert in een aantal structurele problemen in een onderdeel, waarbij scheuren en kromtrekken de meest voorkomende zijn. Dergelijke problemen treden meestal op wanneer het gesmolten metaal na het afdrukken afkoelt. Afkoeling veroorzaakt krimp, waardoor randen van een onderdeel opkrullen en vervormen. In extreme gevallen kan de spanning de sterkte van het onderdeel overschrijden, waardoor het onderdeel barst (scheuren kan ook optreden als het poedermateriaal niet goed is gesmolten).

Voorkomen van scheuren en kromtrekken

Er zijn twee manieren om het barsten en kromtrekken van uw metalen onderdeel te voorkomen. Een mogelijkheid is om het printbed voor te verwarmen, een andere mogelijkheid is het verbeteren van de hechting van een onderdeel aan het printbed en het plaatsen van de benodigde hoeveelheid ondersteunende structuren. Thermische nabewerking kan ook helpen om kleine scheuren te repareren, terwijl het vaststellen van het juiste aantal ondersteunende structuren van uw kant in wezen is om kromtrekken te voorkomen.

5. Nabewerking en oppervlakteruwheid

Doorgaans zijn metalen onderdelen niet klaar voor hun uiteindelijke toepassing wanneer ze voor het eerst worden bedrukt, en zullen ze een of andere vorm van nabewerking moeten ondergaan, zoals verwijdering van poeder en dragers, thermische behandeling en oppervlakteafwerking. Maar heel vaak kom je een aantal uitdagingen tegen tijdens de stappen na de verwerking.

U kunt bijvoorbeeld voor uitdagingen komen te staan ​​bij het verwijderen van de ondersteunende structuren op uw onderdelen. Dit kan bijvoorbeeld voorkomen als uw metalen onderdeel steunen heeft in kleine gaatjes en buizen. Deze kunnen moeilijk te verwijderen zijn zonder het onderdeel te beschadigen en daarna is machinale bewerking nodig.

Oppervlakteruwheid is een ander probleem. Additief vervaardigde componenten voor hoogwaardige toepassingen vereisen een gemiddelde oppervlakteruwheid, maar 3D-geprinte onderdelen worden vaak geproduceerd met ruwe oppervlakken en vereisen aanvullende nabewerkingen zoals machinale bewerking, slijpen of polijsten om een ​​betere afwerking te bereiken. Omdat oppervlakteruwheid direct gerelateerd is aan de laagdikte, kan deze worden verminderd door met dunnere lagen te printen. Het produceren van een onderdeel met fijnere lagen kan echter de bouwtijd aanzienlijk verlengen.

Ruwe oppervlakken kunnen ook het gevolg zijn van onjuist smelten van poeder. Dit gebeurt wanneer er niet genoeg energie is toegepast om het metaal volledig te smelten. In dit geval kan de oppervlakteruwheid worden verminderd door het vermogen van uw laser te vergroten.

Samenvattend

Hoewel er een reeks potentiële uitdagingen zijn bij het gebruik van AM om metalen onderdelen te produceren, is het begrijpen van deze uitdagingen de eerste stap bij het produceren van hoogwaardige, betrouwbare componenten. En met de aanhoudende groei van 3D-printen van metaal, zullen we zeker een toename zien in het gebruik van additief vervaardigde metalen componenten die worden gebruikt in industriële toepassingen.