금속 3D 프린팅의 열처리 비용이 높나요?

一, 3D 프린팅 금속 열처리의 주요 역할
금속 3D 프린팅은 금속 분말을 한 층씩 녹여 복잡한 구조를 만드는데, 이 공정에는 세 가지 큰 문제가 있습니다.
잔류 응력: 레이저를 이용한 급속 가열 및 냉각은 격자의 모양을 변화시켜 부품이 갈라지거나 구부러질 수 있습니다.
조직적 결함:-비평형 응고는 원주형 결정 및 수상돌기와 같은 거친 특징을 생성하여 재료를 덜 강하게 만듭니다.
고르지 못한 성능: 층간 접합부에서 약한 인터페이스가 쉽게 형성되어 재료의 수명이 단축될 수 있습니다.
온도장과 상전이 과정을 주의 깊게 관리함으로써 열처리는 세 가지 주요 목표를 달성할 수 있습니다.
응력 완화: 어닐링 처리는 남은 응력을 제거하고 치수를 보다 안정적으로 만듭니다.
조직 최적화: 고용체 및 에이징 처리를 사용하여 균일하고 미세한 등축 결정 구조를 얻습니다.
성능 향상: 침전 단계의 모양을 제어하여 강도와 인성 사이의 균형을 찾습니다.
예를 들어, SLM 기술은 특정 항공 엔진 블레이드를 만드는 데 사용되었으며, 이후 1050도에서 용액으로 처리되고 550도에서 노화되었습니다. 인장강도가 850MPa에서 1200MPa로 향상되었고, 피로수명이 3배나 늘어났습니다.
2, 열처리 비용 분석에 대한 다차원적인 관점
1. 장비 비용 : 정밀 제어 비용
금속 3D 프린팅 물체를 열처리하려면 다음과 같은 특별한 도구가 필요합니다.
진공로는 티타늄 합금과 같은 활성 금속의 부식을 방지합니다. 일반 난로에 비해 가격이 2~3배 정도 비쌉니다.
레이저 열처리 시스템: 작은 면적의 표면을 변경하는 데 사용되며 장비 비용은 500만 위안 이상입니다.
지능형 제어 시스템에는 적외선 온도 측정, 대기 제어 및 기타 모듈이 포함되어야 합니다. 단일 시스템의 가치는 백만 위안이 넘습니다.
어떤 회사에서는 열처리 장비의 감가상각비가 단가의 18~25%를 차지하는데, 장비의 정밀도가 향상될수록 그 비율은 빠르게 높아진다고 합니다.
2. 에너지 비용: 고온은-장기적인 에너지 소비 블랙홀을 만듭니다.
열처리 공정의 일반 설정:
용체화 처리: 1000~1050도에서 4~6시간 절연
시간 처리: 단열재를 160~180도에서 8~12시간 동안 유지합니다.
응력 완화 어닐링: 300~400도에서 2~4시간 동안 유지합니다.
예를 들어, SLM을 사용하여 만든 Ti6Al4V 한 조각을 열처리하는 데는 120~150kWh의 에너지가 필요합니다. 전기가열로를 사용하면 전력비용이 15% 이상 나옵니다. 가스 가열로를 활용하면 에너지 비용이 40% 절감되지만 배기가스를 정화하기 위한 장비 비용은 더 많이 듭니다.
3. 재료비: 재활용 분말의 효율성 게임
열처리는 재료 손실로 이어질 수 있습니다.
산화화상 : 금속을 고온으로 가열하면 표면에 산화피막이 발생합니다. 손실률은 0.5%~1.2%이다.
휘발성 물질의 손실: 마그네슘 합금과 같이 끓는점이 낮은 금속은 고온에서 증발하여 무게의 2% 이상을 잃습니다.
지지 구조: 탈착식 지지대가 있는 복잡한 내부 흐름 채널 부품을 설계하면 재료 낭비율이 5~8% 증가합니다.
분말 재활용 시스템은 활용률을 92%~95%까지 높일 수 있지만, 재활용 분말의 효율성이 떨어지는 문제는 여전히 해결되어야 합니다. 연구에 따르면 3회 사용 후 Ti6Al4V 분말의 산소 농도가 0.03% 증가하여 부품의 피로 강도가 12% 감소한 것으로 나타났습니다.
4. 시간 비용: 프로세스 체인에는 효율성 병목 현상이 있습니다.
일반적인 열처리 사이클은 다음과 같습니다.
치료 전: 청소, 비지지, 샌드블라스팅(2~4시간)
가열, 단열, 냉각(8~24시간)은 모두 열처리의 일부입니다.
후{0}}처리: 와이어 절단, 광택 처리 및 테스트(3~6시간)
한 자동차 부품업체는 3D프린팅 전체 생산주기에서 열처리 공정이 60~70%를 차지한다고 한다. 이것이 배송이 느린 가장 큰 이유입니다.
3, 비용 절감을 위한 기술 경로
1. 작업 방식을 변경하십시오. 열처리 주기를 더 짧게 만드십시오.
급속 어닐링 기술은 고전력 밀도 가열을 사용하여{0}}용액 처리에 소요되는 시간을 6시간에서 2시간으로 단축합니다.
단계적 노화 과정: 온도를 여러 단계로 제어함으로써 성능을 계속 유지하면서 전체 단열 시간을 단축합니다.
유도 가열 국소 처리: 가장 중요한 부분만 가열되므로 에너지 사용량이 70% 이상 절감됩니다.
특정 항공기 회사는 급속 어닐링 기술을 사용하여 Ti6Al4V 부품 열처리 비용을 35% 절감하고 미세 구조를 20% 더 일관되게 만들었습니다.
2. 장비 업그레이드: 에너지 활용도 향상
진공 저압{0}}침탄로: 공기 중 압력을 10~100 Pa로 유지하여 가스 사용량을 줄입니다.
폐열 회수 시스템: 냉각수의 폐열을 사용하여 새 부품을 데우므로 전체 에너지 사용량이 18% 절감됩니다.
스마트 온도 제어 시스템: 기계 학습을 사용하여 가열 곡선을 개선하고 온도 변화로 인한 반복 처리 필요성을 줄입니다.
특정 장비 제조업체가 지능형 온도 관리 시스템을 사용하기 시작한 후 열처리 적격률이 82%에서 95%로 증가하고 단위당 비용이 22% 감소했습니다.
3. 재료 개선: 저렴한 합금 시스템 만들기
부분 인쇄 기술: 많은 무게를 지탱할 필요가 없는 부품에는 알루미늄 합금을 사용하고, 무게를 많이 지탱해야 하는 부품에는 티타늄 합금을 사용하여 재료 가격을 40% 절감합니다.
나노개질분말: 나노입자 0.5%를 첨가하면 열처리 온도가 섭씨 50도 낮아지고 에너지 사용량이 30% 절감됩니다.
재생 분말 사용: 최소 5회 사용 후에도 생산이 안정적으로 유지되도록 시간이 지남에 따라 분말의 성능이 어떻게 변하는지에 대한 모델을 만듭니다.
모 연구팀이 개발한 Mg Zn Ca 스테인리스 마그네슘 합금은 염수분무 테스트에서 알루미늄 합금과 동등한 성능을 발휘해 표면 처리 비용을 60% 절감했다.
4. 공정 리엔지니어링: 제조와 열처리를 결합
인쇄 열처리를 위한 통합 장비: 유도 가열 모듈이 인쇄 챔버 내부에 내장되어 -현장 어닐링이 가능합니다.
디지털 트윈 기술: 시뮬레이션을 사용하여 최상의 프로세스 매개변수를 찾고 시행착오 비용을 줄입니다.
자동화된 생산 라인: 세척, 열처리, 감지 등의 모듈을 결합하여 인건비를 절반으로 절감합니다.
특정 회사는 제조 방식을 변경하여 3D 프린팅 부품의 총 비용을 42% 절감하는 스마트 공장을 구축했습니다. 열처리 비용이 25%에서 14%로 낮아졌습니다.