1. مقدمه‌ای بر چاپ سه‌بعدی فلز و کنترل تنش باقیمانده

فناوری چاپ سه‌بعدی فلزات در سال‌های اخیر شاهد پیشرفت سریعی بوده و اکنون به طور گسترده در صنایع حیاتی مانند هوافضا، تولید خودرو و دستگاه‌های پزشکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. مزایای اصلی آن شامل طراحی قطعات سبک‌وزن و تولید سفارشی است که محدودیت‌های روش‌های تولید سنتی را برطرف می‌کند. با این حال، چندین مسئله کلیدی در فرآیند چاپ سه‌بعدی می‌تواند بر کیفیت نهایی قطعه تأثیر بگذارد، به‌ویژه تنش باقیمانده، قرارگیری قطعه، طراحی ساختار پشتیبان و بهینه‌سازی قطعه. این مقاله مکانیزم ایجاد تنش باقیمانده در چاپ سه‌بعدی فلزات و استراتژی‌های کنترل مربوطه را بررسی می‌کند.

2. مکانیزم تولید تنش باقیمانده

تنش باقیمانده محصول جانبی اجتناب‌ناپذیر گرمایش و سرمایش سریع است که در طول چاپ سه‌بعدی فلزات، به‌ویژه در فرآیندهایی مانند ذوب پودری بستر لیزر (LPBF)، رخ می‌دهد. هر لایه جدید ماده به شرح زیر ساخته می‌شود: لیزر متمرکز بر روی بستر پودر حرکت می‌کند، لایه سطحی را ذوب کرده و پیوند متالورژیکی با لایه زیرین ایجاد می‌کند. گرمای حوضچه مذاب به سرعت به فلز جامد زیرین منتقل می‌شود و باعث می‌شود فلز مذاب در عرض میکروثانیه‌ها خنک و جامد شود.

در این فرایند، لایهٔ فلزی تازه‌تشکیل‌یافته هنگام خنک شدن و جامد شدن دچار انقباض می‌شود. با این حال، این انقباض توسط ساختار جامد زیرین محدود شده و منجر به تنش‌های برشی قابل‌توجهی بین لایه‌ها می‌گردد. به‌طور مشخص، هنگامی که لیزر فلز را روی یک زیرلایهٔ جامد ذوب می‌کند، ذوب مداوم و هدایت گرما باعث می‌شود فلز در حال خنک شدن منقبض شود که این امر تنش‌های برشی بین لایهٔ جدید فلز و لایهٔ زیرین ایجاد می‌کند.

3. پیامدهای تنش باقیمانده

تنش‌های باقیمانده می‌توانند اثرات مخربی بر کیفیت قطعات چاپ‌شده داشته باشند. با افزایش تعداد لایه‌ها، تنش انباشته می‌شود و می‌تواند به مشکلات زیر منجر شود:

• انحراف جزئیاسترس انباشته می‌تواند باعث تاب‌خوردگی در لبه‌های قطعه شود که ممکن است به شکست سازهٔ پشتیبان منجر شود.
• جداسازی صفحه پایهاگر قطعه ناحیه تماس گسترده‌ای با صفحه پایه داشته باشد، لبه‌های آن ممکن است از پایه جدا شوند.
• ترک‌خوردگی سازه‌ای: هنگامی که تنش از حد استحکام ماده فراتر رود، ممکن است ترک‌های فاجعه‌بار یا تاب‌خوردگی در قطعه یا صفحه پایه رخ دهد.

این مسائل به‌ویژه در قطعاتی با مقاطع عرضی بزرگ قابل‌مشاهده‌اند، زیرا رابط بزرگ‌تر فاصلهٔ تحت‌تأثیر تنش‌های برشی را افزایش می‌دهد و انحراف قطعه یا صفحهٔ پایه را تشدید می‌کند.

4. راهبردهای کنترل تنش باقیمانده

1. بهینه‌سازی ساختاری در طراحی

در مرحله طراحی محصول باید تنش باقیمانده را در نظر گرفت تا از تجمع تنش جلوگیری شود. بهینه‌سازی‌های طراحی شامل موارد زیر است:

• استفاده از سازه‌های پشتیبان منطقیاطمینان حاصل کنید که سازه‌های حمایتی به‌طور استراتژیک قرار داده شوند تا تنش متعادل گردد.
• بهینه‌سازی جهت‌گیری قطعهجهت قطعه را برای کاهش تمرکز تنش در حین چاپ تنظیم کنید.
• اجتناب از تغییرات ناگهانی مقطع عرضیقطعات را با تغییرات تدریجی در مقطع عرضی طراحی کنید تا از تمرکز تنش جلوگیری شود.

2. بهینه‌سازی پارامترهای فرآیند

• انتخاب ضخامت بسترانتخاب ضخامت مناسب مادهٔ پایه می‌تواند تجمع تنش را کاهش دهد.
• پیش‌گرم‌کردن بستر: پیش‌گرم کردن زیرلایه، مانند استفاده از دمای پیش‌گرمایش ۸۰ درجه سانتی‌گراد هنگام چاپ فولاد ضد زنگ ۳۱۶L، می‌تواند شیب‌های حرارتی و تنش را کاهش دهد.
• کنترل دقیق ضخامت لایه و پارامترهای لیزرکنترل دقیق این پارامترها ذوب و انجماد یکنواخت را تضمین کرده و تنش باقیمانده را کاهش می‌دهد.

3. استراتژی‌های اسکن بهبود‌یافته

برای کاهش تنش باقیمانده در حین سینتر لیزری، بهینه‌سازی مسیر اسکن لیزر و نحوه پر کردن پودر فلز می‌تواند به توزیع یکنواخت‌تر تنش کمک کند. استراتژی‌ها شامل موارد زیر هستند:

• استفاده از استراتژی اسکن منطقه‌ای: ناحیهٔ کاری را به بخش‌هایی تقسیم کنید تا شیب‌های حرارتی به حداقل برسند.
• پیاده‌سازی حالت اسکن چرخشیالگوی اسکن را بچرخانید تا اثرات موضعی گرمایش و سرمایش کاهش یابد.
• بهینه‌سازی طول و جهت بردار اسکنطول و جهت مسیر اسکن را طوری تنظیم کنید که گرما را به طور یکنواخت‌تری در سراسر قطعه پخش کند.

5. راهکار کنترل تنش باقیمانده گرین‌استون-تک

از طریق پژوهش سیستماتیک فرآیند و بهینه‌سازی پارامترها، گرین‌استون-تک یک راهکار جامع کنترل تنش باقیمانده را توسعه داده است. این راهکار پایداری ابعادی و کیفیت کلی قطعات فلزی چاپ سه‌بعدی‌شده را ارتقا می‌دهد و راهکارهای ساخت افزودنی قابل‌اعتمادتری را برای مشتریان ما فراهم می‌کند.