1. Introduktion till 3D-utskrift av metall och kontroll av restspänningar

Tekniken för 3D-utskrift av metall har utvecklats snabbt de senaste åren och används nu i stor utsträckning inom kritiska industrier som flyg- och rymdindustrin, fordonstillverkning och medicintekniska produkter. Dess främsta fördelar inkluderar lättviktsdesign och kundanpassad produktion, vilket tar itu med begränsningarna hos traditionella tillverkningsmetoder. Flera viktiga problem i 3D-utskriftsprocessen kan dock påverka den slutliga delens kvalitet, särskilt restspänning, delpositionering, stödstrukturdesign och deloptimering. Denna artikel utforskar mekanismen för generering av restspänning vid 3D-utskrift av metall och motsvarande kontrollstrategier.

2. Mekanism för generering av kvarvarande stress

Restspänning är en oundviklig biprodukt av den snabba uppvärmning och kylning som sker under 3D-utskrift av metall, särskilt i processer som laserpulverbäddsfusion (LPBF). Varje nytt materiallager byggs upp enligt följande: den fokuserade lasern rör sig över pulverbädden, smälter ytskiktet och skapar en metallurgisk bindning med det underliggande skiktet. Värmen från den smälta bassängen leds snabbt ner till den fasta metallen nedanför, vilket gör att den smälta metallen svalnar och stelnar på några mikrosekunder.

Under denna process krymper det nybildade metallskiktet när det svalnar och stelnar. Denna krympning begränsas dock av den fasta strukturen under, vilket leder till betydande skjuvspänningar mellan skikten. Mer specifikt, när lasern smälter metallen ovanpå ett fast substrat, orsakar den kontinuerliga smältningen och värmeledningen att den kylande metallen krymper, vilket genererar skjuvspänningar mellan det nya metallskiktet och det underliggande skiktet.

3. Konsekvenser av kvarvarande stress

Restspänningar kan ha destruktiva effekter på kvaliteten på de tryckta delarna. När antalet lager ökar ackumuleras spänningar och kan leda till följande problem:

• DeldeformationAckumulerad spänning kan orsaka skevhet i detaljens kanter, vilket kan leda till att stödstrukturen går sönder.
• Separation av bottenplattaOm delen har en stor kontaktyta med bottenplattan kan delens kanter lossna från basen.
• Strukturell sprickbildningNär spänningen överstiger materialets hållfasthetsgränser kan katastrofala sprickbildning eller vridning av komponenten eller bottenplattan uppstå.

Dessa problem är särskilt märkbara i delar med stora tvärsnitt, eftersom det större gränssnittet ökar avståndet över vilket skjuvspänningar verkar, vilket intensifierar deformationen av delen eller basplattan.

4. Strategier för att kontrollera kvarvarande stress

1. Strukturell optimering i design

Restspänning bör beaktas under produktdesignfasen för att minimera spänningsackumulering. Designoptimeringar inkluderar:

• Användning av rationella stödstrukturerSäkerställ att stödstrukturer är strategiskt placerade för att balansera stressen.
• Optimering av delorienteringJustera delens orientering för att minska stresskoncentrationen under utskrift.
• Undvika plötsliga tvärsnittsförändringarKonstruera delar med gradvisa förändringar i tvärsnitt för att undvika spänningskoncentration.

2. Optimering av processparametrar

• Val av substrattjocklekAtt välja lämplig tjocklek på grundmaterialet kan minska spänningsuppbyggnad.
• Förvärmning av substratFörvärmning av substratet, till exempel med en förvärmningstemperatur på 80 ° C vid tryckning av 316L rostfritt stål kan det minska termiska gradienter och stress.
• Exakt kontroll av lagertjocklek och laserparametrarNoggrann kontroll av dessa parametrar säkerställer jämn smältning och stelning, vilket minskar kvarvarande spänningar.

3. Förbättrade skanningsstrategier

För att minska kvarvarande spänningar under lasersintring kan optimering av laserskanningsbanan och hur metallpulvret fylls bidra till att fördela spänningen jämnare. Strategierna inkluderar:

• Användning av zonindelad skanningsstrategiDela upp arbetsområdet i sektioner för att minimera termiska gradienter.
• Implementering av roterande skanningslägeRotera skanningsmönstret för att minska lokala värme- och kyleffekter.
• Optimering av skanningsvektorlängd och -riktningJustera skanningsbanan och dess riktning för att fördela värmen jämnare över delen.

5. Greenstone-Techs lösning för kontroll av kvarvarande stress

Genom systematisk processforskning och parameteroptimering har Greenstone-Tech utvecklat en omfattande lösning för kontroll av restspänningar. Denna lösning förbättrar dimensionsstabiliteten och den övergripande kvaliteten hos 3D-printade metalldelar, vilket erbjuder mer tillförlitliga lösningar för additiva tillverkningsprocesser för våra kunder.