1. Giới thiệu về in 3D kim loại và kiểm soát ứng suất dư

Công nghệ in 3D kim loại đã phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây và hiện được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp quan trọng như hàng không vũ trụ, sản xuất ô tô và thiết bị y tế. Ưu điểm cốt lõi của nó bao gồm thiết kế chi tiết nhẹ và sản xuất theo yêu cầu, khắc phục những hạn chế của các phương pháp sản xuất truyền thống. Tuy nhiên, một số vấn đề quan trọng trong quá trình in 3D có thể ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm cuối cùng, đặc biệt là ứng suất dư, định vị chi tiết, thiết kế cấu trúc hỗ trợ và tối ưu hóa chi tiết. Bài viết này nghiên cứu cơ chế tạo ra ứng suất dư trong in 3D kim loại và các chiến lược kiểm soát tương ứng.

2. Cơ chế tạo ra ứng suất dư

Ứng suất dư là một hệ quả tất yếu của quá trình nung nóng và làm nguội nhanh chóng xảy ra trong quá trình in 3D kim loại, đặc biệt là trong các quy trình như Laser Powder Bed Fusion (LPBF). Mỗi lớp vật liệu mới được xây dựng như sau: tia laser hội tụ di chuyển trên lớp bột, làm tan chảy lớp bề mặt và tạo liên kết luyện kim với lớp bên dưới. Nhiệt từ vùng nóng chảy được truyền nhanh chóng xuống kim loại rắn bên dưới, khiến kim loại nóng chảy nguội đi và đông đặc chỉ trong vài micro giây.

Trong quá trình này, lớp kim loại mới hình thành sẽ co lại khi nguội và đông đặc. Tuy nhiên, sự co lại này bị hạn chế bởi cấu trúc rắn bên dưới, dẫn đến ứng suất cắt đáng kể giữa các lớp. Cụ thể, khi tia laser làm tan chảy kim loại trên một chất nền rắn, quá trình tan chảy liên tục và dẫn nhiệt khiến kim loại nguội đi và co lại, tạo ra ứng suất cắt giữa lớp kim loại mới và lớp bên dưới.

3. Hậu quả của ứng suất dư

Ứng suất dư có thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng của các bộ phận được in. Khi số lớp tăng lên, ứng suất tích tụ và có thể dẫn đến các vấn đề sau:

• Biến dạng bộ phậnỨng suất tích tụ có thể gây biến dạng ở các cạnh của chi tiết, dẫn đến hỏng cấu trúc đỡ.
• Tách tấm đếNếu chi tiết có diện tích tiếp xúc lớn với đế, các cạnh của chi tiết có thể bị tách rời khỏi đế.
• Nứt kết cấuKhi ứng suất vượt quá giới hạn chịu lực của vật liệu, có thể xảy ra hiện tượng nứt vỡ hoặc biến dạng nghiêm trọng của chi tiết hoặc tấm đế.

Những vấn đề này đặc biệt dễ nhận thấy ở các bộ phận có tiết diện lớn, vì diện tích tiếp xúc lớn hơn làm tăng khoảng cách mà ứng suất cắt tác động, làm tăng cường biến dạng của bộ phận hoặc tấm đế.

4. Các chiến lược kiểm soát ứng suất dư

1. Tối ưu hóa cấu trúc trong thiết kế

Cần xem xét ứng suất dư trong giai đoạn thiết kế sản phẩm để giảm thiểu sự tích tụ ứng suất. Các biện pháp tối ưu hóa thiết kế bao gồm:

• Sử dụng các cấu trúc hỗ trợ hợp lýĐảm bảo các cấu trúc hỗ trợ được bố trí chiến lược để cân bằng áp lực.
• Tối ưu hóa hướng đặt chi tiếtĐiều chỉnh hướng đặt chi tiết để giảm sự tập trung ứng suất trong quá trình in.
• Tránh những thay đổi đột ngột về mặt cắt ngangThiết kế các chi tiết có tiết diện thay đổi dần dần để tránh hiện tượng tập trung ứng suất.

2. Tối ưu hóa các thông số quy trình

• Lựa chọn độ dày chất nềnViệc lựa chọn độ dày phù hợp của vật liệu nền có thể giảm sự tích tụ ứng suất.
• Làm nóng trước chất nền: Làm nóng trước chất nền, chẳng hạn như sử dụng nhiệt độ làm nóng trước là 80 ° C Khi in trên thép không gỉ 316L, có thể giảm thiểu sự chênh lệch nhiệt độ và ứng suất.
• Kiểm soát chính xác độ dày lớp và các thông số laserViệc kiểm soát cẩn thận các thông số này đảm bảo quá trình nóng chảy và đông đặc diễn ra đồng đều, giảm thiểu ứng suất dư.

3. Các chiến lược quét được cải tiến

Để giảm ứng suất dư trong quá trình thiêu kết laser, việc tối ưu hóa đường quét laser và cách phân bổ bột kim loại có thể giúp phân bố ứng suất đồng đều hơn. Các chiến lược bao gồm:

• Sử dụng chiến lược quét theo vùngChia khu vực làm việc thành nhiều phần để giảm thiểu sự chênh lệch nhiệt độ.
• Triển khai chế độ quét xoayXoay hướng quét để giảm thiểu hiện tượng nóng và lạnh cục bộ.
• Tối ưu hóa độ dài và hướng của vectơ quét.Điều chỉnh độ dài và hướng đường quét để phân tán nhiệt đều hơn trên toàn bộ chi tiết.

5. Giải pháp kiểm soát ứng suất dư của Greenstone-Tech

Thông qua nghiên cứu quy trình có hệ thống và tối ưu hóa thông số, Greenstone-Tech đã phát triển một giải pháp kiểm soát ứng suất dư toàn diện. Giải pháp này giúp tăng cường độ ổn định kích thước và chất lượng tổng thể của các bộ phận kim loại được in 3D, mang đến các giải pháp sản xuất bồi đắp đáng tin cậy hơn cho khách hàng.