1. Inleiding tot 3D-metaalprinten en beheersing van restspanningen

Metaal 3D-printtechnologie heeft zich de afgelopen jaren snel ontwikkeld en wordt nu op grote schaal gebruikt in cruciale industrieën zoals de lucht- en ruimtevaart, de automobielindustrie en de medische sector. De belangrijkste voordelen zijn het ontwerpen van lichtgewicht onderdelen en de productie op maat, waarmee de beperkingen van traditionele productiemethoden worden ondervangen. Verschillende belangrijke aspecten van het 3D-printproces kunnen echter de uiteindelijke kwaliteit van het onderdeel beïnvloeden, met name restspanning, positionering van het onderdeel, ontwerp van de ondersteuningsstructuur en optimalisatie van het onderdeel. Dit artikel onderzoekt het mechanisme van restspanningsgeneratie bij metaal 3D-printen en de bijbehorende beheersstrategieën.

2. Mechanisme van het ontstaan ​​van restspanningen

Restspanning is een onvermijdelijk bijproduct van de snelle verhitting en afkoeling die optreedt tijdens 3D-metaalprinten, met name bij processen zoals Laser Powder Bed Fusion (LPBF). Elke nieuwe materiaallaag wordt als volgt opgebouwd: de gefocusseerde laser beweegt over het poederbed, smelt de oppervlaktelaag en creëert een metallurgische verbinding met de onderliggende laag. De warmte van het gesmolten metaal wordt snel naar het vaste metaal eronder geleid, waardoor het gesmolten metaal binnen enkele microseconden afkoelt en stolt.

Tijdens dit proces krimpt de nieuw gevormde metaallaag naarmate deze afkoelt en stolt. Deze krimp wordt echter beperkt door de vaste structuur eronder, wat leidt tot aanzienlijke schuifspanningen tussen de lagen. Wanneer de laser het metaal op een vast substraat smelt, zorgen het continue smelten en de warmtegeleiding ervoor dat het afkoelende metaal krimpt, waardoor schuifspanningen ontstaan ​​tussen de nieuwe metaallaag en de onderliggende laag.

3. Gevolgen van restspanning

Restspanningen kunnen een destructief effect hebben op de kwaliteit van de geprinte onderdelen. Naarmate het aantal lagen toeneemt, hoopt de spanning zich op en kan dit leiden tot de volgende problemen:

• Gedeeltelijke vervormingOpgebouwde spanning kan kromtrekking aan de randen van het onderdeel veroorzaken, wat kan leiden tot het bezwijken van de ondersteuningsstructuur.
• Scheiding van de bodemplaatAls het onderdeel een groot contactoppervlak met de grondplaat heeft, kunnen de randen van het onderdeel loskomen van de grondplaat.
• Structurele scheurvormingWanneer de spanning de sterktegrenzen van het materiaal overschrijdt, kan dit leiden tot catastrofale scheuren of vervorming van het onderdeel of de grondplaat.

Deze problemen zijn vooral merkbaar bij onderdelen met grote doorsneden, omdat het grotere contactoppervlak de afstand vergroot waarover schuifspanningen werken, waardoor de vervorming van het onderdeel of de grondplaat wordt versterkt.

4. Strategieën voor het beheersen van restspanningen

1. Structurele optimalisatie in ontwerp

Restspanningen moeten tijdens de productontwerpfase in overweging worden genomen om spanningsopbouw te minimaliseren. Ontwerpoptimalisaties omvatten:

• Gebruik van rationele ondersteuningsstructurenZorg ervoor dat de ondersteunende constructies strategisch geplaatst zijn om de spanning te verdelen.
• Optimalisatie van de oriëntatie van onderdelenPas de oriëntatie van het onderdeel aan om spanningsconcentratie tijdens het printen te verminderen.
• Het vermijden van plotselinge veranderingen in de dwarsdoorsnedeOntwerp onderdelen met geleidelijke veranderingen in de dwarsdoorsnede om spanningsconcentratie te voorkomen.

2. Optimalisatie van procesparameters

• Keuze van de substraatdikteDoor de juiste dikte van het basismateriaal te kiezen, kan spanningsopbouw worden verminderd.
• Substraat voorverwarmenHet substraat voorverwarmen, bijvoorbeeld door een voorverwarmingstemperatuur van 80 ° C Bij het printen met 316L roestvrij staal kunnen thermische gradiënten en spanningen worden verminderd.
• Nauwkeurige controle van laagdikte en laserparametersDoor deze parameters zorgvuldig te controleren, wordt een gelijkmatige smelting en stolling gegarandeerd, waardoor restspanningen worden verminderd.

3. Verbeterde scanstrategieën

Om restspanning tijdens lasersinteren te verminderen, kan het optimaliseren van het laserscanpad en de manier waarop het metaalpoeder wordt aangebracht, helpen om de spanning gelijkmatiger te verdelen. Strategieën omvatten:

• Gebruik van een zonegerichte scanstrategieVerdeel de werkruimte in secties om temperatuurverschillen te minimaliseren.
• Implementatie van de roterende scanmodus: Draai het scanpatroon om plaatselijke verwarmings- en afkoelingseffecten te verminderen.
• Optimalisatie van de lengte en richting van de scanvector: Pas de lengte en richting van het scanpad aan om de warmte gelijkmatiger over het onderdeel te verdelen.

5. De oplossing van Greenstone-Tech voor het beheersen van restspanningen

Door systematisch procesonderzoek en parameteroptimalisatie heeft Greenstone-Tech een uitgebreide oplossing voor restspanningsbeheersing ontwikkeld. Deze oplossing verbetert de dimensionale stabiliteit en de algehele kwaliteit van 3D-geprinte metalen onderdelen, waardoor onze klanten betrouwbaardere oplossingen voor additive manufacturing krijgen.