Hoe de koelprestaties van metalen 3D-printmatrijzen testen?

一, Belangrijkste onderdelen van het testen van de koelprestaties
1. Testen van thermodynamische prestaties
Het meten van de thermische geleidbaarheid is een belangrijke manier om erachter te komen hoe goed materialen warmte transporteren. De ASTM E1461 laserflitsmethode kan de thermische diffusiviteit van vormmaterialen tussen -100 en 500 graden Celsius nauwkeurig evalueren. Een onderzoeksteam testte 3D-geprint H13-vormstaal en ontdekte dat de warmtegeleidbaarheid 28,5 W/(m · K) was, wat 12% groter is dan bij standaard smeedprocedures. Dit komt doordat 3D-printen een unieke fijne korrelstructuur creëert.

Het belangrijkste doel van thermische weerstandsanalyse is om erachter te komen hoe goed de mal warmte overdraagt. Om wolkenkaarten met temperatuurgradiënten te maken, kunt u thermokoppels op belangrijke punten op de mal plaatsen en infrarood-thermische beeldtechnologieën gebruiken om ze te combineren. Een test uitgevoerd door een bepaald bedrijf dat auto-onderdelen maakt, geeft aan dat de temperatuur van de 3D-geprinte kern van de aluminiumlegering-gietmatrijs binnen ± 3 graden blijft na het maken van 1000 mallen op rij. Dit is 60% lager dan traditionele mallen.

2. Testen van vloeistofdynamica
Het testen van de drukvalkarakteristiek is een goede manier om te zien of het ontwerp van het koelwatercircuit redelijk is. Het Micronics PT100 stroomkalibratieapparaat kan het drukverlies in de waterweg correct detecteren wanneer het debiet tussen 0,1 en 100L/min ligt. Een casestudy van een elektronische verpakkingsmatrijs toonde aan dat het 3D-geprinte spiraalvormige koelwaterkanaal slechts 0,8 kPa daalde bij een stroomsnelheid van 20 l/min, wat 45% minder was dan het traditionele boorwaterkanaal. Dit toont aan dat het kanaalontwerp meer in overeenstemming is met de principes van de vloeistofdynamica.

Er wordt een meerkanaals flowsensornetwerk gebruikt om de flow-uniformiteitstest uit te voeren. Een onderzoeksteam heeft twaalf stromingsmonitoringslocaties opgezet in een ingewikkelde 3D-geprinte mal. Ze merkten op dat de stroomafwijking van elk kanaal binnen ± 2% werd gehouden om ervoor te zorgen dat het koelmedium gelijkmatig werd verspreid. Deze testprocedure is zeer goed voor matrijzen met hoge-precisie die in de lucht- en ruimtevaartindustrie worden gebruikt. Bijvoorbeeld een satellietsteunmal die het waterwegpatroon verfijnde om de vervorming van het product te verminderen van 0,3 mm naar 0,05 mm.

2, Een systeem voor testen op verschillende schalen
1. Testen op microscopische schaal
Metallografisch onderzoek kan de enige-van-a-soort microstructurele eigenschappen van 3D-printen aantonen. Met een Olympus BX53M metallografische microscoop kunt u fijne kolomvormige korrels zien die zijn gemaakt met behulp van het laserpoederbedsmeltproces (LPBF). Deze korrels zijn meer dan 50% kleiner dan die gemaakt met typische gietmethoden. Deze microstructuur zorgt ervoor dat het materiaal veel beter bestand is tegen thermische vermoeidheid. Na 10 ^ 6 thermische cycli toonde een bepaalde test aan dat 3D-geprinte mallen nog steeds een volledige korrelgrensstructuur hebben, terwijl traditionele mallen duidelijke scheuren hadden.

De Micromeritics AutoPore V kwikindringingsporosimeter wordt gebruikt om de porositeit te bepalen. Het kan correct bepalen waar de poriën zich in de mal bevinden. Een medische implantaatmaltest gaf aan dat door het veranderen van de printinstellingen de porositeit kon worden verlaagd van 0,5% naar 0,08%, en dat de poriegrootte meestal tussen 1 en 5 μm lag. Deze dikke structuur zorgt ervoor dat het koelmedium niet lekt en maakt de mal sterker.

2. Testen op grote schaal
Dynamische monitoring met thermische beeldvorming is een eenvoudige manier om te zien hoe gelijkmatig de mallen afkoelen. De FLIR T865 warmtebeeldcamera kan u in realtime laten zien hoe de temperatuur op het oppervlak van de mal varieert. Het heeft een resolutie van 640×480 en kan temperaturen zien van -40 graden tot 1500 graden. Bij het testen van een bepaalde cilinderkopmal voor automotoren vergeleken onderzoekers de warmtebeeldbeelden van 3D-printen met traditionele mallen. Ze ontdekten dat de standaardafwijking van de temperatuurverdeling van de 3D-printmatrijs slechts 1,2 graden bedroeg, wat 75% lager was dan die van de traditionele matrijs. Hieruit bleek dat het conforme ontwerp van het koelwatercircuit een groot verschil maakte in de thermische balans.

Voor de vermoeiingslevensduurtest wordt de vermoeiingstestmachine MTS 370.10 gebruikt. Het simuleert hoe de prestaties van de matrijs zouden veranderen na 1 miljoen warme en koude cycli met een belastingsbereik van ± 25 kN.. 3D-geprint matrijsstaal behoudt 90% van zijn oorspronkelijke hardheid na 500.000 cycli, terwijl traditionele matrijzen onder dezelfde omstandigheden 30% van hun hardheid verliezen. Dit komt omdat 3D-printtechnologie de interne stressconcentratie wegneemt.

3, Gebruik van de nieuwste testtechnieken
1. De technologie van digitale tweelingen
Er kan een digitaal tweelingmodel van het matrijskoelproces worden gemaakt door Moldflow-software voor matrijsstroomanalyse te combineren met machine learning-methoden. Een studiegroep heeft een AI-model gebouwd dat de temperatuur-, snelheids- en drukverdelingen in een bepaald gebied kan raden door te trainen op 36.000 sets geparametriseerde vinvormgegevens. De verwachte resultaten van het model komen goed overeen met echte testgegevens, met een nauwkeurigheidspercentage van 95%. Dit is 40% beter dan standaard empirische methoden en verkort de tijd die nodig is om een ​​mal te maken.

2. Een netwerk van kleine sensoren
Door een microtemperatuur- en druksensorarray in de mal te plaatsen, kunt u het koelproces in realtime in de gaten houden. In een bepaald onderzoek werden 24 MEMS-sensoren in een 3D-geprinte kleine warmtewisselaar gebruikt om met succes lokale temperatuurveranderingen van 0,1 graad te meten, wat nauwkeurige gegevensondersteuning voor kanaalbeheer opleverde. Deze techniek is ideaal voor het maken van mallen met hoge-precisie in de lucht- en ruimtevaartindustrie. Bijvoorbeeld een spuitmondmatrijs van een raketmotor die temperatuurveranderingen in het hittestressconcentratiegebied binnen ± 5 graden regelt via een sensornetwerk.

4. Normen en criteria voor testen in de industrie
ISO 23499-2017, "Quality Assessment Standard for Metal 3D Printing", werd gepubliceerd door de Internationale Organisatie voor Standaardisatie (ISO). Het zet de norm voor het beoordelen van de koelprestaties. De thermische geleidbaarheidstest moet de ASTM E1461-norm volgen, de drukvaltest moet de ISO 527-2-specificatie volgen en de vermoeidheidslevensduurtest moet de ISO 1217-norm volgen. In China geven normen zoals GB/T 39251-2020 "Karakterisatiemethoden voor metaalpoedereigenschappen in additieve productie" de industrie een volledige reeks technische specificaties.