Från traditionell subtraktiv tillverkning till ny additiv tillverkning, olika metalltillverkning och bearbetningsmetoder har en betydande inverkan på materialstrukturen och mekaniska egenskaper hos slutprodukten. Traditionella tillverkningsmetoders inverkan på metallers mekaniska egenskaper har blivit allmänt erkänd, men förhållandet mellan additiv tillverkningsprocess och produktegenskaper är ganska komplext och är ett viktigt ämne inom forskningsområdet.
Bland de många studierna är effekten av avbrott i 3D-utskriftsprocesser på mikrostrukturen och egenskaperna hos metalltillverkade delar ett nischämne. Additiva tillverkningsprocesser bygger på att kontinuerligt trycka material lager för lager, med stränga krav på smältning och stelning. När tryckprocessen avbryts störs termodynamiken som styr bindningsstyrkan och defektgenereringen i skiktet. Avbrott i additiv tillverkningsprocess förväntas påverka bindningen mellan skikten, vilket äventyrar utvecklingen av enhetlig mikrostruktur och mekaniska egenskaper hos metalldelar.
Även utan att ta hänsyn till processavbrott finns det tydligt utrymme för förbättringar inom metalltillverkning när det gäller dimensionsnoggrannhet och materialegenskaper. Under 3D-utskrift bestämmer stelningskinetiken och bindning mellan skikten kornstrukturen och de mekaniska egenskaperna hos delen, vilka styrs av termiska gradienter, kylningshastigheter och termisk cykling. Även om fusionsprocessen för 3D-utskrift är svår att kontrollera, kan dessa faktorer optimeras genom kontinuerlig och oavbruten deponering och termisk kontroll.
Under 3D-utskriftsproduktion kan dock processavbrott uppstå på grund av ett eventuellt behov av att bädda in övervakningselement (såsom sensorer, ställdon och enheter för energiinsamling), fylla på material, ändra produktionsscheman etc. Dessutom kan processavbrott också inträffa. på grund av strömavbrott och maskinfel. När utskriftsprocessen avbryts kommer den tryckta delen gradvis att svalna, vilket resulterar i uppkomsten av defekter och inhomogena mikrostrukturer på grund av avbrott i termisk cykling och oregelbundna termiska gradienter. Följaktligen äventyras slutproduktens mekaniska egenskaper. Möjliga defekter inkluderar bristande sammansmältning, nyckelhålskollaps, porositet, stelningssprickor, solid-state sprickbildning, dålig interlaminär/ytbindningsstyrka, ofullständig bindemedelsavbindning, etc.
Effekten av processavbrott på den övergripande prestandan hos 3D-utskriftsdelar
För de flesta 3D-utskriftsprocesser av metall uppstår processavbrott med synlig färg vid skarvarna, som kallas "processmärken". I de avbrutna områdena av de studerade proverna finns både färgförändringar på grund av termiska effekter och defekter i delen. Synliga defekter kan kvarstå längs processavbrottslinjerna och förväntas påverka provernas mekaniska egenskaper negativt. För att ytterligare undersöka proverna och de skivade proverna utfördes NDT-experiment för att ytterligare utvärdera potentiella förändringar i materialstruktur och mekaniska egenskaper före och efter processavbrott.
Forskare från University of Jordan har undersökt processavbrott under tillverkning av tillsats av bågtråd. De tog 130×17×150 mm delar som forskningsobjekt och använde Ti-6Al-4V för utskrift. Efter 8 timmar och formningen nådde höjden 120 mm, tryckningen avbröts och tryckprocessen återupptogs efter att dödtiden varade i 6 timmar. Under denna tid svalnar den formade delen till rumstemperatur.
Prover utskrivna av forskare kan klippas ut för analys
Variationer i delens termiska historia kan ha påverkat bildandet av kornstrukturen. Den största skillnaden mellan mikrostrukturen i normala och avbrutna tillverkningsprocessregioner är storleken på kornen. Även om kornstorleken på proverna är ganska likformig under normala processförhållanden, hade proverna från området där processen avbröts ojämna kornstorlekar. Textur och kornstorleksskillnader i den normala processen och avbrutna processregioner var de viktigaste resultaten av den mikroskopiska utvärderingen. På grund av växelverkan mellan förhållandena för de tidigare deponerade skikten och växelverkan mellan den nya avsättningsprocessen, kan stelningsförhållandena (såsom svetspoolens form och tillväxthastighet), termiska gradienter och kylningshastigheter ha förändrats, och mekanismen för defektgenerering kommer också att påverkas.
Synliga defekter vid processavbrottslinjer
Testning med resonant ultraljudsspektroskopi avslöjade viktiga förändringar i delintegritet; testning av nanomekaniska egenskaper fann en minskning av Youngs modul och hårdhetsvärden i områden där processen avbröts; Röntgendatortomografi avslöjade antalet defekter som fanns i de avbrutna områdena mer och större i storlek än de andra regionerna; betydande signaldämpning och backscatter visas i ultraljudssignalen.
CT-bild av området där processen avbröts
Testning av materialegenskaper drog slutsatsen att processavbrottet hade en betydande inverkan på detaljens primära material och mekaniska egenskaper. Kornstrukturen, strukturen och defektnivåerna för prover tillverkade vid eller efter det avbrutna området verkade skilja sig från prover som inte upplevde något processavbrott eller som tidigare har skrivits ut. I synnerhet är styrkan och integriteten hos delen lägre i det avbrutna området; och storleken och fördelningen av defekter i den avbrutna regionen är mycket högre.
Processavbrott inspirerar till återtillverkning och reparation av 3D-utskrift
Eftersom storleken och fördelningen av defekter som sprickor och porositet har visat sig väsentligt förändra den strukturella integriteten och materialegenskaperna hos additivt tillverkade delar, kan området för avbrott vara ett kritiskt område som påverkar säkerheten för den övergripande strukturen. Detta är särskilt viktigt när man överväger någon form av processstörning, särskilt en återtillverkningsprocess eller reparation med additiv tillverkning.
Av denna anledning, när dessa komponenter används som kritiska komponenter i flyg-, medicin- och transporttillämpningar, kan kvalitetssäkringsprocessen för dessa komponenter bli föremål för strängare kvalitetstester och oförstörande tester. Allvarlighets- och defektfördelning i processavbrottsregioner kan reduceras genom vissa för- och efterprocesser. Att förvärma delen till tillverkningstemperatur innan processen återstartas efter ett avbrott minskar effekterna av termisk chock och stress, och minskar utvecklingen av defekter och sprickor. När det gäller efterbearbetning kan flera lösningar såsom värmebehandlingsprocesser eller het isostatisk pressning (HIP) hjälpa till att förbättra delens integritet och prestanda. Dessa föreslagna överväganden måste undersökas i framtida studier för att fastställa den exakta lämpligheten och inverkan på kvaliteten på slutmonteringen.