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Analyse der drei Hauptfaktoren, die die Ausbeute des Metall-3D-Drucks beeinflussen

Als disruptive Technologie ist der Metall-3D-Druck weit verbreitet in der Industrie eingesetzt, einschließlich einer Reihe von Bereichen wie Luft- und Raumfahrt, Biomedizin und Automobilen. Durch die additive Metallfertigung werden die Designfreiheit und die Fertigungsflexibilität erhöht, komplexe Topographien und kundenspezifische Fertigungen realisiert, wodurch die Time-to-Market verkürzt wird. Wenn Sie ein perfektes Produkt drucken möchten, muss der Prozess Schicht für Schicht überprüft werden. Der Redakteur von Xianji.com stellt die drei Faktoren vor, die die Ausbeute des 3D-Metalldrucks beeinflussen: Rohstoffe, Prozessparameter und Rückstände der thermischen Belastung.

Rohstoffe und Verbrauchsmaterialien für die drei Hauptelemente der Ausbeute des Metall-3D-Drucks

Der 3D-Metalldruck erfolgt in einer mit Argon gefüllten Formkammer, in der der Sauerstoffgehalt weniger als 100 ppm beträgt, um sicherzustellen, dass beim Laserscannen keine Oxide entstehen. Darüber hinaus stellen die für den 3D-Druck verwendeten Metallmaterialien strenge Anforderungen an Reinheit, Sphärizität, Partikelgrößenverteilung und Sauerstoffgehalt. Zu den gängigen Metallmaterialien auf dem Markt gehören jetzt Titanlegierungen, Edelstahl, Kobalt-Chrom-Legierungen, Nickelbasislegierungen und Aluminiumlegierungen. Auch Material und Dicke des Metallsubstrats bestimmen die Qualität und Genauigkeit des Druckproduktes. Das Erhöhen der Dicke des Substrats und das Erhöhen der Temperatur des Substrats können das Verziehen des geformten Gegenstands signifikant unterdrücken und die Maßhaltigkeit des geformten Gegenstands verbessern.

Der Einfluss der Prozessparameter der drei Hauptelemente der Metall-3D-Druckausbeute auf den Energiedichteeintrag

Jedes letzte Teil wird durch Schmelzen Schicht für Schicht hergestellt. Mit jeder geschmolzenen Schicht sinkt die Plattform und neues Pulver bedeckt die Schicht und wiederholt den obigen Vorgang. Das eigentliche Umformprinzip besteht darin, dass der Laser eine bestimmte Energiedichte in die Pulverschicht einbringt, so dass das Pulver im abgetasteten Bereich einen geschmolzenen Zustand erreicht. Die vom Pulver aufgenommene Energiedichte hängt von der Laserleistung und den während des Sinterprozesses gesteuerten Parametern ab, wie Scangeschwindigkeit, Scanabstand, Scanleistung, Laserenergie bildet ein Schmelzbad auf der Oberfläche des Metallpulvers und das Schmelzbad beeinflusst die formgebende Wirkung des umgebenden Pulvers.

Der Laser scannt den zu schmelzenden Bereich nach einer bestimmten Regel und Richtung, und der Scanpfad ist entsprechend unterschiedlichen Materialien angemessen normalisiert. Die Aufteilung des Scanbereichs in Streifen, Schachbrettmuster usw. kann die innere Spannung des Teils effektiv abbauen, und die Planung jeder Schicht des Scanvektors kann den während des Schmelzvorgangs erzeugten Spannungswert reduzieren.

Im Prozess des selektiven Schmelzens können wir dann die Leistung des Endprodukts durch die folgenden Aspekte verbessern. Das Folgende ist eine vergrößerte Ansicht desselben Materials bei unterschiedlichen Abtastintervallen. Wir können sehen, dass sehr offensichtliche interne Defekte auftreten, wenn sich das Scanintervall auf einen bestimmten Bereich ausdehnt:

Analyse der drei Hauptfaktoren, die die Ausbeute des Metall-3D-Drucks beeinflussen

Schraffurlinie (Schraffurabstand: Scanabstand, der den Abstand zwischen zwei benachbarten parallelen Linien beim Laserschmelzen steuert.)

Obwohl ein großer Abtastabstand die Umformeffizienz deutlich verbessern kann, ist die Reichweite des Schmelzbades begrenzt. Wenn der Abstand zu groß ist, wird die Überlappungsrate der Verkleidungsbreite zu klein. Im Ernstfall tritt der in Abbildung 3 gezeigte Effekt ein, der zu inneren Defekten im Formteil führt. . Ein unzureichender Zeilenabstand führt zu einem lokalen Wärmestau und verstärkt die thermische Verformung.

Laserleistung und Scangeschwindigkeit sind auch die Kernparameter, die die Energiedichte bestimmen. Wenn der Energiedichteeintrag zu gering ist, wird das Metallpulver nicht gesintert und das Schmelzen wird nicht ausreichend sein, was zu Resthohlräumen zwischen den gesinterten Schichten führt; ist der Energiedichteeintrag zu groß, wird das Metallpulver aufgrund der massiven Verdampfung des Metallpulvers verspritzt. , Die durch zu hohe Sintertemperatur verursachte thermische Verformung erhöht die Oberflächensphäroidisierung und macht die Oberfläche uneben.

Der Fleck darf nicht zu groß sein. Bei gleicher Energiedichte konzentriert sich die Energie mit zunehmendem Durchmesser des Flecks auf die obere Oberfläche. Das Pulver unter jeder Schicht kann unter dem Einfluss des Laserschmelzbades nicht effektiv geschmolzen werden, was sich direkt auf die Qualität der Teile auswirkt. Die Zugfestigkeit des Teils in vertikaler Richtung wird reduziert und es ist anfälliger für Risse. Zusammenfassend sind viele Faktoren zu berücksichtigen, um den idealen Druckeffekt zu erzielen. Nur durch die ständige Erforschung geeigneterer Verfahren können wir die besten Metall-3D-Drucklösungen anbieten und die additive Fertigungstechnologie in verschiedenen fortschrittlichen Fertigungsbereichen weiterentwickeln.

Die thermische Restspannung der drei Hauptelemente des Metall-3D-Drucks ergibt:

Gegenwärtig entwickelt sich die Metall-3D-Druckindustrie sehr schnell und wurde nach und nach auf alle Lebensbereiche angewendet: Luft- und Raumfahrt, Automobil, Medizin und so weiter. Sein Vorteil besteht darin, dass es ein leichtes und personalisiertes Design von Teilen ermöglicht und einige technische Probleme lösen kann, die mit herkömmlichen Verarbeitungs- und Herstellungsmethoden nicht gelöst werden können. Aus technischer Sicht gibt es jedoch viele Probleme im 3D-Druckprozess, die unser Design nicht wie erwartet machen. Eines der Probleme beim Ausdrucken ist die Restspannung.

Restspannungen sind ein unvermeidliches Produkt des schnellen Aufheizens und Abkühlens, das ein inhärentes Merkmal des Laserpulverschmelzprozesses ist. Wenn das Pulver durch Laserbestrahlung gesintert wird, geht das Metallpulver in einen geschmolzenen Zustand über, und nachdem das Schmelzbad gebildet ist, gefriert es schnell und verfestigt sich. Zu diesem Zeitpunkt verursacht die Temperaturdifferenz zwischen dem Substrat und der Oberfläche des geformten Gegenstands eine Belastung der Oberfläche des geformten Gegenstands. Die Dehnung bewirkt, dass sich die Oberfläche des Modellierungsobjekts verzieht und verschiebt, was zu Rissen auf der Oberfläche des Modellierungsobjekts führt. Daher ist es beim Metall-3D-Druckverfahren wahrscheinlich, dass die Oberfläche des Modellierungsobjekts verzogen und verschoben wird, wenn Sie nicht mit besonderer Sorgfalt vorgehen. Je größer der geformte Gegenstand ist, desto größer ist die Restspannung und desto schwerwiegender ist dieses Phänomen.

Diagramm zum Mechanismus der Erzeugung von thermischer Spannung

Der Laser schmilzt das Metall auf der Oberseite des festen Substrats, um ein neues Schmelzbad zu bilden (links). Das Schmelzbad bewegt sich entlang des Abtastvektors und schmilzt das Pulver, und dann beginnt das geschmolzene Pulver durch die Übertragung von Wärme auf das darunter liegende feste Metall abzukühlen. Nach der Erstarrung schrumpft das abgekühlte Metall und es bildet sich eine Schrumpfspannung zwischen der Metallschicht und der nächsten Schicht (rechts).

Reststress ist destruktiv. Wenn wir eine weitere Bearbeitungsschicht über einer anderen Bearbeitungsschicht hinzufügen, werden Spannungen gebildet und akkumuliert, die eine Verformung des Teils verursachen können, dessen Kante aufgerollt und dann vom Träger getrennt werden kann. Die untere Fläche des Teils ist größer und passt zum Substrat. , Die Kante des Teils wird von der Grundplatte getrennt. In extremeren Fällen kann die Spannung die Festigkeit des Teils übersteigen, was zu zerstörerischen Rissen des Teils oder Verformung des Substrats führt.

Diese Situationen treten im Allgemeinen bei Teilen mit größeren Querschnitten auf, da der Querschnitt zu groß und die thermische Restspannung zu hoch ist, was zu starken Verformungen oder Rissen der Teile führt.

Für diese Situation sollten wir bei der Konstruktion zunächst das Problem der Spannung berücksichtigen und versuchen, ein großflächiges ununterbrochenes Sintern zu vermeiden, um den Verformungsgrad der Teile zu reduzieren. Wählen Sie ein dickeres Substrat, um die strukturelle Festigkeit des Spannungskonzentrationsbereichs zu verstärken und den Rissbildungsgrad der Teile zu reduzieren.

Ein weiteres Problem besteht darin, dass beim Trennen des geformten Gegenstands vom Substrat die verbleibende innere Spannung im geformten Gegenstand abgebaut wird, was dazu führt, dass sich der geformte Gegenstand stark verzieht. Daher muss eine Wärmebehandlung durchgeführt werden, um die innere Spannung abzubauen und dann vom Substrat zu trennen. Wenn jedoch das Volumen des Modellierungsobjekts groß ist oder die Struktur des Modellierungsobjekts anfällig für Restspannungen ist, kann das Wärmebehandlungsverfahren manchmal das Problem nicht lösen. In Bezug auf die Methode zur Lösung von Restspannungen werden die Techniker in Zukunft eine thermische Spannungssimulationsanalyse durchführen, die Form des geformten Objekts kontrollieren, wo die Restspannung vorhanden ist, und lokale Kavitation und geringe Dichte des geformten Objekts implementieren, um interne Spannungen abzubauen.

Wir können auch die Eigenspannung des Teils reduzieren, indem wir das Laserscanning-Verfahren ändern und die Richtung des Scanvektors beim Übergang von einer Bearbeitungsschicht zur nächsten Bearbeitungsschicht drehen, damit sich die Spannungen nicht alle auf derselben Ebene konzentrieren . Jede Schicht wird normalerweise um einen entsprechenden Winkel gedreht, um sicherzustellen, dass die Abtastrichtung nach der Verarbeitung vieler Schichten vollständig wiederholt wird, und um letztendlich eine gleichmäßige Spannungsverteilung zu gewährleisten.

Oben wurde das Dehnungsproblem durch Eigenspannungen beim Metall-3D-Druck und die Gegenmaßnahmen kurz vorgestellt. Das Erhöhen der Dicke des Substrats und das Verringern der Temperatur des Substrats können das Verziehen des geformten Gegenstands signifikant unterdrücken und die Maßhaltigkeit des geformten Gegenstands verbessern.

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