1. Úvod do 3D tisku kovů a řízení zbytkového napětí

Technologie 3D tisku kovů zaznamenala v posledních letech rychlý rozvoj a nyní se široce používá v klíčových odvětvích, jako je letecký a automobilový průmysl a výroba zdravotnických prostředků. Mezi její hlavní výhody patří lehká konstrukce dílů a zakázková výroba, což řeší omezení tradičních výrobních metod. Nicméně několik klíčových problémů v procesu 3D tisku může ovlivnit kvalitu konečného dílu, zejména zbytkové napětí, umístění dílu, návrh nosné konstrukce a optimalizace dílu. Tento článek zkoumá mechanismus vzniku zbytkového napětí při 3D tisku kovů a odpovídající strategie řízení.

2. Mechanismus vzniku zbytkového napětí

Zbytkové pnutí je nevyhnutelným vedlejším produktem rychlého ohřevu a ochlazování, ke kterému dochází během 3D tisku kovů, zejména v procesech, jako je laserová fúze v práškovém loži (LPBF). Každá nová vrstva materiálu se vytváří následovně: zaostřený laser se pohybuje po práškovém loži, taví povrchovou vrstvu a vytváří metalurgické spojení s podkladovou vrstvou. Teplo z roztavené lázně se rychle odvádí dolů do pevného kovu pod ní, což způsobuje, že roztavený kov ochlazuje a tuhne během několika mikrosekund.

Během tohoto procesu se nově vytvořená kovová vrstva smršťuje při ochlazování a tuhnutí. Toto smrštění je však omezeno pevnou strukturou pod ní, což vede k významným smykovým napětím mezi vrstvami. Konkrétně když laser taví kov na povrchu pevného substrátu, neustálé tavení a vedení tepla způsobuje smršťování chladnoucího kovu, což generuje smyková napětí mezi novou kovovou vrstvou a podkladovou vrstvou.

3. Důsledky zbytkového napětí

Zbytkové napětí může mít destruktivní vliv na kvalitu tištěných dílů. S rostoucím počtem vrstev se napětí hromadí a může vést k následujícím problémům:

• Deformace součástiNahromaděné napětí může způsobit deformaci na okrajích součásti, což může vést k selhání nosné konstrukce.
• Oddělení základní deskyPokud má součást velkou kontaktní plochu se základní deskou, mohou se okraje součásti od základny oddělit.
• Strukturální praskáníPokud napětí překročí meze pevnosti materiálu, může dojít ke katastrofálnímu praskání nebo deformaci součásti nebo základní desky.

Tyto problémy jsou obzvláště patrné u součástí s velkými průřezy, protože větší rozhraní zvětšuje vzdálenost, na které působí smyková napětí, což zesiluje deformaci součásti nebo základní desky.

4. Strategie pro kontrolu zbytkového napětí

1. Strukturální optimalizace v návrhu

Zbytkové napětí by mělo být zohledněno během fáze návrhu výrobku, aby se minimalizovala jeho akumulace. Optimalizace návrhu zahrnují:

• Využití racionálních podpůrných strukturZajistěte strategické umístění podpůrných konstrukcí pro vyvážení namáhání.
• Optimalizace orientace součástiUpravte orientaci dílu pro snížení koncentrace napětí během tisku.
• Zabránění náhlým změnám průřezuNavrhujte součásti s postupnými změnami průřezu, aby se zabránilo koncentraci napětí.

2. Optimalizace procesních parametrů

• Volba tloušťky substrátuVýběr vhodné tloušťky základního materiálu může snížit hromadění napětí.
• Předehřev substrátuPředehřátí substrátu, například na teplotu předehřátí 80 ° C při tisku nerezové oceli 316L může snížit teplotní gradienty a napětí.
• Přesné řízení tloušťky vrstvy a parametrů laseruPečlivá kontrola těchto parametrů zajišťuje rovnoměrné tavení a tuhnutí, čímž se snižuje zbytkové pnutí.

3. Vylepšené strategie skenování

Pro snížení zbytkového napětí během laserového spékání může optimalizace dráhy laserového skenování a způsobu plnění kovového prášku pomoci rovnoměrněji rozložit napětí. Mezi strategie patří:

• Použití strategie zónového skenováníRozdělte pracovní prostor na části, abyste minimalizovali teplotní gradienty.
• Implementace režimu rotačního skenování: Otočením skenovacího vzoru se sníží lokální účinky ohřevu a ochlazování.
• Optimalizace délky a směru vektoru skenování: Upravte délku a směr skenovací dráhy pro rovnoměrnější rozptýlení tepla po celé součásti.

5. Řešení Greenstone-Tech pro kontrolu zbytkového napětí

Prostřednictvím systematického výzkumu procesů a optimalizace parametrů vyvinula společnost Greenstone-Tech komplexní řešení pro řízení zbytkového napětí. Toto řešení zvyšuje rozměrovou stabilitu a celkovou kvalitu kovových 3D tištěných dílů a nabízí našim zákazníkům spolehlivější řešení aditivní výroby.