Propiedades materiales de piezas de binder jetting
La tecnología de inyección de aglomerante en el corazón de los sistemas de producción y taller de Desktop Metal ofrece una larga lista de beneficios para los fabricantes, desde la capacidad de producir rápidamente piezas complejas sin herramientas hasta la creación de detalles de características finas y la capacidad de imprimir cientos, o incluso miles, de piezas en una sola tirada sin necesidad de herramientas.
En características como resistencia, ductilidad y dureza, los sistemas de Desktop Metal que imprimen piezas de metal, cumplen o superan los estándares de la Sociedad Estadounidense de Pruebas y Materiales (ASTM) y la Federación de Industrias de Polvo de Metal (MPIF), lo que los hace ideales para todas las aplicaciones que van desde la fabricación de joyas hasta industria pesada.
Lograr esas propiedades superiores es posible porque la tecnología de densificación utilizada por los sistemas de Shop y Production System se construye sobre la base de los procesos que se utilizan en la pulvimetalurgia tradicional y los que se utilizan en el moldeo por inyección de metal (MIM).
En la base MIM de Binder Jetting, las piezas se moldean en la impresora utilizando polvos fácilmente disponibles. Luego, las piezas se separan y densifican durante la sinterización, lo que libera a los fabricantes para crear prácticamente cualquier geometría, y las piezas resultantes muestran excelentes propiedades.
La separación entre cómo se forman las piezas y su metalurgia es una desviación significativa de otros enfoques de impresión 3D, en particular los sistemas de metal basados en láser.
Esos sistemas usan láseres de alta potencia para derretir polvo de metal, dejando tras de sí artefactos reveladores que revelan cómo se formó una pieza. La estructura de grano de las piezas de fusión de lecho de polvo a menudo tiene una textura de grano debido a la solidificación direccional de la pieza. Además, los ciclos repetidos de calentamiento y enfriamiento y el gradiente de temperatura en una pieza también pueden afectar drásticamente las propiedades mecánicas de las piezas y dar lugar a tensiones residuales dentro de las piezas que pueden afectar tanto las propiedades mecánicas como las dimensionales. Las aleaciones que experimentan transformaciones de fase (como la transformación de austenita en ferrita en aceros al carbono y para herramientas) pueden mostrar niveles particularmente altos de tensión residual y distorsión si una sección de la pieza está por debajo de la temperatura de transición mientras que otra parte está por encima de la temperatura de transición. Para contrarrestar esto,
Las piezas del chorro de aglutinante, en comparación, se calientan y enfrían uniformemente durante la sinterización, lo que produce una estructura mucho más homogénea y libre de tensiones residuales. Una parte de sección transversal revela un tamaño y una forma de grano uniformes independientemente de la dirección. Las propiedades mecánicas en XYZ pueden ser muy uniformes como se muestra en la siguiente figura. Estas barras se prueban con superficies maquinadas.
Resistencia y Ductilidad
Dos características clave para las piezas de uso final, la resistencia y la ductilidad, aseguran que las piezas no solo resistirán las fuerzas a las que estarán sujetas, sino que, cuando se desee, se doblarán o alargarán antes de fallar.
Tratamiento Térmico y Dureza
Muchas aplicaciones, particularmente herramientas de fabricación como insertos de moldes, herramientas de chapa metálica y troqueles de extrusión, requieren piezas con alta dureza para garantizar que las piezas puedan resistir el uso repetido.
Para lograr una alta dureza, muchos materiales se pueden tratar térmicamente, un proceso en el que las piezas se calientan a una temperatura alta (solucionado o austenizado), se enfrían a temperatura ambiente (apagado) y luego se recalientan a una temperatura intermedia (envejecido o revenido). Para algunos materiales como 17-4PH, este ciclo produce una microestructura de precipitados muy finos dentro de la matriz metálica que fortalece y endurece el material después del proceso de envejecimiento. Para los aceros al carbono, como el 4140, el ciclo produce una microestructura muy dura y quebradiza llamada martnesita después de la operación de templado, y el paso de revenido se usa para reducir ligeramente la dureza al tiempo que aumenta la tenacidad mediante la formación de partículas microscópicas de carburo.
Más específicamente, en 17-4PH, el proceso H900 se usa cuando se desea una dureza alta. En este ciclo, el material se disuelve a 1038 ºC durante al menos una hora, lo que disuelve todos los átomos de cobre en la matriz. Luego, las piezas se retiran del horno y se enfrían a temperatura ambiente al aire, el enfriamiento debe ser lo suficientemente rápido para que no se precipite el cobre durante el enfriamiento. Luego las piezas son recalentadas o envejecidas a 482ºC (900ºF) por 1 hora; la refrigeración por aire es suficiente a partir de la temperatura de envejecimiento. Durante el envejecimiento, se forman precipitados ricos en cobre microscópicos finamente dispersos que endurecen la pieza. Para piezas gruesas, se puede usar un enfriamiento más agresivo, como el enfriamiento rápido con aceite, para enfriar las piezas desde la temperatura de tratamiento de la solución, si es necesario.
En los aceros al carbono, como el 4140, el material se austeniza a unos 855 ºC durante el tiempo suficiente para disolver todo el carbono en la austenita. Para piezas delgadas (6 mm de grosor o menos), esto se puede hacer en solo 20 minutos. A continuación, las piezas se enfrían directamente en un medio de refrigeración adecuado, que debe ser agua, aceite o polímero; el enfriamiento en el aire no es lo suficientemente rápido. El enfriamiento por agua generalmente se usa solo para formas simples porque la velocidad de enfriamiento es tan rápida que puede distorsionar la pieza. Durante el enfriamiento, el material sufre una transformación de fase martensítica, que endurece el material por la acumulación de tensiones muy elevadas localizadas dentro de la microestructura. Después del enfriamiento, las piezas estarán más duras, pero también quebradizas. en el templadolas piezas de operación se recalientan a una temperatura superior a la temperatura ambiente. Durante el templado, los átomos de carbono se precipitan para formar partículas de carburo metálico muy pequeñas y las altas tensiones locales se relajan parcialmente. La elección de la temperatura y el tiempo de revenido afecta el tamaño de los precipitados y el grado de relajación de la tensión.
Las piezas inyectadas con aglutinante se pueden tratar térmicamente como las piezas fabricadas convencionalmente y responden a los procesos normales de tratamiento térmico. El efecto en los tratamientos térmicos 17-4PH y 4140 se muestra a continuación. Para 17-4PH, la dureza sinterizada (HRC) se muestra para la sinterización en 2 estilos de horno diferentes, un horno de zona caliente de grafito con una extinción de 2 bares y un horno con capacidad H2 de zona caliente de metal. Hay una pequeña diferencia en la dureza sinterizada entre los 2 hornos, pero ambos conjuntos de material muestran una fuerte respuesta de endurecimiento y dan como resultado una dureza muy similar después del proceso H900. Para 4140, la dureza sinterizada depende en gran medida de la velocidad de enfriamiento y ninguno de los hornos puede enfriarse lo suficientemente rápido como para realizar un enfriamiento rápido metalúrgico, por lo que mostramos la dureza en tres condiciones después del recocido completo, después de enfriar en un enfriador basado en polímeros y después de templar a 200ºC durante 1 hora. La dureza del templado es bastante buena y el revenido reduce la dureza ligeramente por encima de la especificación típica MPIF 35 de 46 HRC.
Al igual que con las pruebas de resistencia y ductilidad, los científicos de materiales de Desktop Metal probaron las piezas de chorro de aglomerante en una variedad de arquitecturas de hornos y los resultados mostraron respuestas sólidas en todas las condiciones.
Propiedades de corrosión y química
Muchas piezas de metal necesitan operar en condiciones duras y corrosivas, por lo que la resistencia a la corrosión es importante.
Una de las principales formas en que los fabricantes aumentan la corrosión es mediante la reducción de su contenido de carbono, algo que Shop System logra a través de la sinterización al vacío.
En las pruebas, las piezas 17-4PH inyectadas con aglutinante mostraron niveles de carbono más bajos (y, por lo tanto, mayor resistencia a la corrosión) que el estándar 17-4PH, y también pasaron; pruebas estándar de corrosión con agua hirviendo y sulfato de cobre.
Densidad
Las piezas de inyección de aglomerante también alcanzan habitualmente una alta densidad, similar a la de las piezas MIM típicas. Las altas densidades son esenciales para las piezas de uso final con una larga vida útil.
Cuando se prueba en una variedad de arquitecturas de hornos, la microestructura de las piezas impresas en los sistemas de producción y taller son visualmente isotrópicas y muestran distribuciones de poro, tamaños de grano y fracciones de fase similares.
En general, los resultados son claros: las piezas de inyección de aglomerante muestran propiedades mecánicas y de materiales que cumplen o superan las normas ASTM/MPIF, en línea con las piezas MIM y, en ocasiones, mejores que ellas.
Cuando se combina con los beneficios que vienen con la impresión por chorro de aglutinante (impresión de alta velocidad, costos más bajos por pieza, fabricación sin herramientas y más), está claro que la tecnología por chorro de aglutinante tiene el potencial de dejar una marca duradera en la fabricación de metales. industria y transformar cómo se fabrican millones de piezas de metal cada año.