Od tradiční subtraktivní výroby po nově vznikající aditivní výrobu mají různé způsoby výroby a zpracování kovů významný vliv na strukturu materiálu a mechanické vlastnosti konečného produktu. Vliv tradičních výrobních metod na mechanické vlastnosti kovů byl široce uznáván, ale vztah mezi aditivními výrobními procesy a charakteristikami produktu je poměrně složitý a je důležitým tématem v oblasti výzkumu.
Mezi mnoha studiemi je vliv přerušení procesu 3D tisku na mikrostrukturu a vlastnosti kovových aditivně vyráběných dílů okrajovým tématem. Aditivní výrobní procesy spoléhají na nepřetržitý tisk materiálu vrstvu po vrstvě, s přísnými požadavky na tavení a tuhnutí. Když je proces tisku přerušen, termodynamika, která řídí pevnost vazby a tvorbu defektů ve vrstvě, je narušena. Očekává se, že přerušení v aditivních výrobních procesech ovlivní spojování mezi vrstvami, což ohrozí vývoj jednotné mikrostruktury a mechanických vlastností kovových dílů.
I bez ohledu na přerušení procesu existuje jasný prostor pro zlepšení ve výrobě kovových přísad, pokud jde o rozměrovou přesnost a materiálové vlastnosti. Během 3D tisku určují kinetika tuhnutí a spojování mezi vrstvami strukturu zrn a mechanické vlastnosti součásti, které se řídí teplotními gradienty, rychlostmi ochlazování a tepelnými cykly. Zatímco proces fúze pro 3D tisk je obtížné řídit, tyto faktory lze optimalizovat pomocí kontinuálního a nepřerušovaného nanášení a tepelné kontroly.
Během výroby 3D tisku však může docházet k přerušením procesu z důvodu možné potřeby zabudování monitorovacích prvků (jako jsou senzory, akční členy a zařízení pro získávání energie), doplňování materiálů, změny výrobních plánů atd. Kromě toho může dojít také k přerušení procesu kvůli výpadkům proudu a poruchám strojů. Při přerušení procesu tisku dojde k postupnému ochlazování tištěného dílu, což má za následek vznik defektů a nehomogenních mikrostruktur v důsledku přerušení tepelných cyklů a nepravidelných teplotních gradientů. V důsledku toho jsou narušeny mechanické vlastnosti konečného produktu. Mezi možné vady patří nedostatečná fúze, zhroucení klíčové dírky, pórovitost, praskání tuhnutím, praskání v pevné fázi, špatná interlaminární/povrchová pevnost vazby, neúplné odstranění pojiva atd.
Vliv přerušení procesu na celkový výkon dílů pro 3D tisk
U většiny procesů 3D tisku kovů se přerušení procesu projeví viditelnou barvou na spojích, které se nazývají „procesní značky“. V přerušovaných oblastech studovaných vzorků jsou přítomny jak barevné změny vlivem teplotních vlivů, tak defekty v součásti. Viditelné vady mohou přetrvávat podél linií přerušení procesu a očekává se, že budou negativně ovlivňovat mechanické vlastnosti vzorků. K dalšímu zkoumání vzorků a nařezaných vzorků byly provedeny NDT experimenty pro další vyhodnocení potenciálních změn ve struktuře materiálu a mechanických vlastnostech před a po přerušení procesu.
Výzkumníci z Jordánské univerzity zkoumali přerušení procesu při výrobě aditiv pro obloukový drát. Jako výzkumný objekt vzali díly 130×17×150 mm a pro tisk použili Ti-6Al-4V. Po 8 hodinách a formování dosáhla výška 120 mm, tisk byl přerušen a proces tisku byl obnoven po mrtvém čase trvajícím 6 hodin. Během této doby se tvarovaný díl ochladí na pokojovou teplotu.
Vzorky vytištěné výzkumníky mohou být vyříznuty pro analýzu
Změny v tepelné historii součásti mohly ovlivnit tvorbu struktury zrna. Hlavním rozdílem mezi mikrostrukturou v oblastech normálního a přerušeného výrobního procesu je velikost zrn. Zatímco velikost zrna vzorků je za normálních podmínek procesu poměrně jednotná, vzorky z oblasti, kde byl proces přerušen, měly nestejnoměrnou velikost zrna. Rozdíly ve struktuře a velikosti zrna v oblastech normálního procesu a přerušeného procesu byly hlavními zjištěními mikroskopického hodnocení. Kromě toho se v důsledku interakce podmínek dříve uložených vrstev a interakce nového procesu nanášení mohly změnit podmínky tuhnutí (jako je tvar svarové lázně a rychlost růstu), teplotní gradienty a rychlosti ochlazování. bude ovlivněn i mechanismus vzniku defektů.
Viditelné vady na liniích přerušení procesu
Testování rezonanční ultrazvukovou spektroskopií odhalilo důležité změny v integritě součásti; testování nanomechanických vlastností zjistilo snížení Youngova modulu a tvrdosti v oblastech, kde byl proces přerušen; Rentgenová počítačová tomografie odhalila počet defektů obsažených v přerušovaných oblastech více a větších než ostatní oblasti; v ultrazvukovém signálu se projeví výrazný útlum signálu a zpětný rozptyl.
CT snímek oblasti, kde byl proces přerušen
Testování vlastností materiálu dospělo k závěru, že přerušení procesu mělo významný dopad na primární materiál a mechanické vlastnosti součásti. Struktura zrn, textura a úrovně defektů vzorků vyrobených v oblasti přerušení nebo po ní se zdály být odlišné od vzorků, které nezaznamenaly žádné přerušení procesu nebo byly dříve vytištěny. Zejména pevnost a integrita součásti jsou nižší v přerušené oblasti; a velikost a distribuce defektů v přerušené oblasti jsou mnohem vyšší.
Přerušení procesů inspiruje k renovaci a opravám 3D tisku
Protože se ukázalo, že velikost a rozložení defektů, jako jsou trhliny a pórovitost, významně mění strukturální integritu a materiálové vlastnosti aditivně vyráběných dílů, může být oblast porušení kritickou oblastí, která ovlivňuje bezpečnost celkové konstrukce. To je zvláště důležité při zvažování určitého druhu narušení procesu, zejména procesu repasování nebo opravy pomocí aditivní výroby.
Z tohoto důvodu, když jsou tyto komponenty používány jako kritické komponenty v leteckých, lékařských a dopravních aplikacích, může být proces zajišťování kvality těchto komponent podroben přísnějšímu testování kvality a nedestruktivnímu testování. Závažnost a distribuci defektů v oblastech přerušení procesu lze snížit některými procesy před a po výrobě. Předehřátí součásti na výrobní teplotu před opětovným spuštěním procesu po přerušení snižuje účinky tepelného šoku a napětí a snižuje vznik defektů a trhlin. Pokud jde o následné zpracování, několik nápravných opatření, jako jsou procesy tepelného zpracování nebo izostatické lisování za tepla (HIP), může pomoci zlepšit integritu a výkon součásti. Tyto navrhované úvahy musí být prozkoumány v budoucích studiích, aby se určila přesná vhodnost a dopad na kvalitu konečné montáže.