La taille des particules de poudre métallique affecte-t-elle la qualité d’impression des moules ?

一, La manière dont la taille des particules affecte la qualité d'impression : effet synergique à plus d'un titre
1. La poudre s'étale uniformément : La densité de la couche de poudre dépend de la taille des particules.
La première étape de l’impression 3D métal est la distribution de la poudre, et son déroulement a un impact direct sur la qualité initiale du moule. Les particules de poudre petites (moins de 15 μm) ont tendance à se coller les unes aux autres car elles possèdent une grande énergie de surface. Cela peut provoquer des vides ou des amas dans la couche de poudre. D'un autre côté, si les particules sont trop grosses (plus de 53 μm), elles peuvent bien s'écouler mais limitent l'épaisseur minimale de la couche, ce qui rend difficile la création de détails fins comme des structures à parois minces-. Par exemple, lors de l'utilisation de poudre d'acier inoxydable 316L avec des particules d'une taille de 15 à 45 μm dans le processus SLM, l'épaisseur de la couche de poudre peut être maintenue entre 30 et 50 μm et la densité de la couche de poudre peut atteindre 99,2 %. Mais à mesure que la taille des particules dépasse cette plage, la porosité augmente considérablement.
Le caractère raisonnable de la distribution des tailles de particules est tout aussi important. L’utilisation d’une distribution bimodale (mélange de particules grossières et fines) permet d’améliorer la densité de tassement de la poudre. Les particules fines remplissent les espaces entre les particules grossières, ce qui augmente la densité de tassement lâche de 10 à 15 %. Cela réduit les défauts internes du moule. En améliorant le rapport granulométrique de la poudre Ti6Al4V (D50=35 μ m, D90=50 μ m), une compagnie aéronautique spécifique a augmenté la densité des moules d'aubes de turbine de 98,5 % à 99,7 % et la durée de vie en fatigue de 20 %.
2. Stabilité de la piscine : un équilibre entre la taille des particules et l’absorption d’énergie qui évolue dans le temps
Le bassin en fusion est la partie principale où fond la poudre métallique, et sa stabilité dépend de la façon dont la poudre absorbe l'énergie du faisceau laser/électron. les minuscules particules ont une grande surface spécifique et un taux d’absorption de chaleur rapide. Cependant, les poudres trop petites (comme<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, le taux de défauts partiels de fusion monte jusqu'à 15 %.
Une répartition inégale de la taille des particules peut également entraîner des inégalités de conduction thermique dans certaines zones, ce qui peut contribuer à la concentration des contraintes résiduelles. Une étude a révélé que l'utilisation de poudre d'Inconel 718 avec une large distribution granulométrique (10 à 100 μm) pour imprimer des moules augmente la contrainte résiduelle de 30 % par rapport à une distribution restreinte (20 à 50 μm). Cela rend le risque de déformation beaucoup plus élevé.
3. Qualité et précision de la surface : contrôle direct de la taille des particules sur la rugosité
La rugosité de la surface du moule est un bon moyen de savoir si l'impression se déroule correctement, car elle est directement proportionnelle à la taille des particules de poudre. Plus les particules sont petites, plus la surface est lisse. Cependant, si la poudre est trop fine, elle ne s'écoule pas bien et peut provoquer une répartition inégale de la poudre, ce qui rend la surface plus rugueuse. Par exemple, si vous utilisez des moules d'impression en poudre 316L avec un D50 de 25 μm, vous pouvez maintenir la rugosité de surface Ra à moins de 8 μm. Mais si vous utilisez de la poudre avec un D50 de 15 µm, la valeur Ra ​​sera au-delà de 15 µm car les particules se collent entre elles.
Lors du choix de la taille des particules pour des moules structurels complexes (tels que des canaux de refroidissement conformes), vous devez trouver un compromis entre précision et facilité d'utilisation. Une entreprise qui fabrique des moules pour voitures a pu créer des formes précises avec une ouverture minimale de 0,5 mm en utilisant de la poudre d'acier martensitique vieillie avec une granulométrie de 30 à 60 μm. Ils se sont également assurés que la rugosité Ra de la paroi intérieure du cours d'eau était inférieure ou égale à 10 µm.
2, Adaptation de la taille des particules des processus courants : besoins différents pour SLM et EBM
1. Processus SLM : une combinaison de petite taille de particules et de haute précision
La technique SLM utilise un laser comme source d'énergie et le diamètre de la tache concentrée est généralement compris entre 50 et 100 μm. Vous devez donc choisir une poudre à grains fins-(15–53 μm) qui correspond à la taille de la tache. Les fines particules peuvent rapidement absorber l'énergie laser et créer un bain de fusion homogène, mais la quantité d'oxygène doit être maintenue en dessous de 150 ppm pour éviter les inclusions d'oxydes. Par exemple, lors de la fabrication de moules pour implants orthopédiques en alliage de titane, la poudre TC4 avec une taille de particule de 20 à 45 μm et un niveau d'oxygène de 80 ppm peut répondre aux normes de haute précision -de tolérance d'ouverture ± 0,02 mm et de rugosité de surface Ra < 5 μm.
2. Le procédé EBM : trouver un compromis entre grosse taille de particules et haute efficacité.
La méthode EBM utilise un faisceau d’électrons comme source d’énergie. Ses propriétés de distribution de densité d'énergie sont meilleures pour faire fondre des particules grossières (53 à 150 µm). Les particules grossières peuvent réduire le nombre de couches de poudre, accélérer l’impression et réduire les contraintes résiduelles. Lorsqu'un certain fabricant de moteurs d'aviation utilise l'EBM pour fabriquer des moules de disques de turbine en alliage à haute température à base de nickel-à base de-, elle choisit une poudre contenant des particules d'une taille de 60 à 105 μm. La déformation de déformation est maintenue à 0,1 mm près à une température de préchauffage de 700 degrés et la vitesse d'impression est trois fois plus rapide que celle du SLM.
3. Processus LENS : adaptation à la taille des particules et à la stabilité de l'alimentation en poudre
La technique LENS (Laser Near Clean Forming) utilise une approche d’alimentation en poudre coaxiale. Pour garantir la stabilité de l'alimentation en poudre, il faut choisir une poudre grossière d'une granulométrie comprise entre 105 et 180 μm. Les particules grossières peuvent aider à empêcher le tube d'alimentation en poudre de se boucher, mais la vitesse de balayage (600 à 1 000 mm/s) doit être réglée au bon niveau pour éviter des défauts de fusion incomplète. Une entreprise de réparation de moules spécifique a utilisé la technologie LENS pour réparer les moules de moulage sous pression, en utilisant de la poudre d'acier H13 avec des particules d'une taille de 120 à 150 μm. Avec une puissance laser de 1 000 W et une vitesse de balayage de 800 mm/s, la force de liaison métallurgique entre la couche de réparation et le substrat s'est avérée être d'au moins 400 MPa.
3,Stratégie d'optimisation de la taille des particules : maîtrise complète du processus depuis la préparation jusqu'au post-traitement
1. Préparation des poudres : choisir entre l’aérosolisation et la technologie PREP
L'atomisation de gaz (GA) est désormais le moyen le plus courant de fabriquer de la poudre car elle est bon marché et fonctionne bien. Cependant, on produit souvent de la poudre satellite (de petites particules qui adhèrent à la surface des particules plus grosses) et de la poudre creuse, ce qui diminue la qualité de l'impression. Le processus d'atomisation par électrode rotative au plasma (PREP) peut produire des poudres de haute qualité-avec une sphéricité supérieure à 98 % et une teneur en poudre satellite inférieure à 0,5 % en faisant fondre du métal avec des électrodes rotatives à grande vitesse-. Mais le matériel est cher. Un fabricant de moules haut de gamme a amélioré la durée de vie à la fatigue de la poudre 316L fabriquée à l'aide du processus PREP de 100 000 cycles à 500 000 cycles.
2. Criblage par taille de particule : criblage en deux -étapes et optimisation de la gradation
Un criblage en deux -étapes (tels que des tamis de 30 μm et 53 μm) peut être utilisé pour obtenir de la poudre avec une distribution granulométrique étroite. Cela empêche la propagation inégale de la poudre qui se produit lorsque des particules grossières et petites sont mélangées. En combinant des poudres de différentes tailles de particules, vous pouvez améliorer le classement en augmentant la densité apparente. Mélanger 20 % de poudre fine de 10 à 20 μm avec 80 % de poudre grossière de 30 à 50 μm, par exemple, peut augmenter la densité apparente de 4,2 g/cm³ à 4,8 g/cm³.
3. Après traitement : pressage isostatique à chaud et polissage de la surface
Le pressage isostatique à chaud (HIP) peut combler les trous des moules et augmenter la densité à plus de 99,9 %. Selon une étude, la résistance à la fatigue des moules en Ti6Al4V traités avec HIP est 40 % supérieure à celle des moules non traités. Polir la surface peut la rendre encore plus lisse. Par exemple, la technologie de polissage électrolytique peut réduire la rugosité de surface du moule de Ra10 μm à Ra0,2 μm, ce qui est suffisant pour les moules optiques haut de gamme-et d'autres utilisations.