1. Wprowadzenie do druku 3D metali i kontroli naprężeń szczątkowych

Technologia druku 3D z metalu dynamicznie się rozwija w ostatnich latach i jest obecnie szeroko stosowana w kluczowych branżach, takich jak przemysł lotniczy i kosmiczny, motoryzacyjny oraz urządzeń medycznych. Jej główne zalety to lekkie projektowanie części i możliwość produkcji na zamówienie, co eliminuje ograniczenia tradycyjnych metod produkcji. Jednak kilka kluczowych kwestii w procesie druku 3D może wpływać na jakość finalną części, w szczególności naprężenia szczątkowe, pozycjonowanie części, projektowanie konstrukcji wsporczych i optymalizacja części. W niniejszym artykule omówiono mechanizm generowania naprężeń szczątkowych w druku 3D z metalu oraz odpowiednie strategie kontroli.

2. Mechanizm generowania naprężeń szczątkowych

Naprężenia szczątkowe są nieuniknionym efektem ubocznym szybkiego nagrzewania i chłodzenia, które występuje podczas druku 3D z metalu, szczególnie w procesach takich jak laserowe łączenie proszku (LPBF). Każda nowa warstwa materiału powstaje w następujący sposób: skupiony laser przesuwa się nad warstwą proszku, topiąc warstwę powierzchniową i tworząc wiązanie metalurgiczne z warstwą leżącą poniżej. Ciepło z jeziorka stopionego metalu jest szybko odprowadzane do znajdującego się poniżej metalu, powodując jego schłodzenie i zestalenie w ciągu mikrosekund.

Podczas tego procesu nowo utworzona warstwa metalu kurczy się podczas chłodzenia i krzepnięcia. Skurcz ten jest jednak ograniczony przez znajdującą się pod nią stałą strukturę, co prowadzi do znacznych naprężeń ścinających między warstwami. W szczególności, gdy laser topi metal na stałym podłożu, ciągłe topienie i przewodzenie ciepła powodują kurczenie się stygnącego metalu, co generuje naprężenia ścinające między nową warstwą metalu a warstwą pod nią.

3. Konsekwencje naprężeń szczątkowych

Naprężenia szczątkowe mogą mieć destrukcyjny wpływ na jakość drukowanych części. Wraz ze wzrostem liczby warstw naprężenia kumulują się, co może prowadzić do następujących problemów:

• Deformacja części:Skumulowane naprężenia mogą spowodować odkształcenia krawędzi elementu, co może doprowadzić do uszkodzenia konstrukcji wsporczej.
• Separacja płyty bazowej:Jeśli część ma dużą powierzchnię styku z płytą bazową, krawędzie części mogą odłączyć się od podstawy.
• Pękanie strukturalne:Gdy naprężenia przekroczą granice wytrzymałości materiału, może dojść do poważnego pęknięcia lub odkształcenia elementu lub płyty bazowej.

Problemy te są szczególnie widoczne w przypadku części o dużych przekrojach, ponieważ większy interfejs zwiększa odległość, na której działają naprężenia ścinające, nasilając odkształcenia części lub płyty bazowej.

4. Strategie kontroli naprężeń resztkowych

1. Optymalizacja konstrukcyjna w projektowaniu

Naprężenia szczątkowe należy uwzględnić już na etapie projektowania produktu, aby zminimalizować ich akumulację. Optymalizacja projektu obejmuje:

• Wykorzystanie racjonalnych struktur wsparcia:Upewnij się, że konstrukcje wsporcze są rozmieszczone strategicznie, aby zrównoważyć naprężenia.
• Optymalizacja orientacji części:Dostosuj orientację części, aby zmniejszyć koncentrację naprężeń podczas drukowania.
• Unikanie nagłych zmian przekroju poprzecznego:Projektuj części ze stopniowymi zmianami przekroju poprzecznego, aby uniknąć koncentracji naprężeń.

2. Optymalizacja parametrów procesu

• Wybór grubości podłoża:Wybór odpowiedniej grubości materiału bazowego może ograniczyć powstawanie naprężeń.
• Podgrzewanie podłoża:Podgrzewanie wstępne podłoża, np. przy użyciu temperatury podgrzewania wstępnego 80 ° C podczas drukowania stali nierdzewnej 316L można zmniejszyć gradienty temperatur i naprężenia.
• Precyzyjna kontrola grubości warstwy i parametrów lasera:Staranna kontrola tych parametrów zapewnia równomierne topienie i krzepnięcie, redukując naprężenia szczątkowe.

3. Ulepszone strategie skanowania

Aby zmniejszyć naprężenia szczątkowe podczas spiekania laserowego, optymalizacja ścieżki skanowania laserowego i sposobu wypełniania proszkiem metalowym może pomóc w równomiernym rozłożeniu naprężeń. Strategie obejmują:

• Wykorzystanie strategii skanowania strefowego:Podziel obszar roboczy na sekcje, aby zminimalizować gradienty temperatur.
• Implementacja trybu skanowania obrotowego: Obróć wzór skanowania, aby zredukować lokalne efekty ogrzewania i chłodzenia.
• Optymalizacja długości i kierunku wektora skanowania:Dostosuj długość i kierunek ścieżki skanowania, aby równomiernie rozprowadzić ciepło po całej części.

5. Rozwiązanie Greenstone-Tech do kontroli naprężeń szczątkowych

Dzięki systematycznym badaniom procesów i optymalizacji parametrów, firma Greenstone-Tech opracowała kompleksowe rozwiązanie do kontroli naprężeń szczątkowych. Rozwiązanie to poprawia stabilność wymiarową i ogólną jakość metalowych części drukowanych w technologii 3D, oferując naszym klientom bardziej niezawodne rozwiązania w zakresie produkcji addytywnej.