Van traditionele subtractieve productie tot opkomende additieve productie, verschillende metaalproductie- en verwerkingsmethoden hebben een aanzienlijke invloed op de materiaalstructuur en mechanische eigenschappen van het eindproduct. De invloed van traditionele fabricagemethoden op de mechanische eigenschappen van metalen is algemeen erkend, maar de relatie tussen additieve fabricageprocessen en productkenmerken is vrij complex en is een belangrijk onderwerp in het onderzoeksveld.
Van de vele onderzoeken is de impact van onderbreking van het 3D-printproces op de microstructuur en eigenschappen van met metaal additief vervaardigde onderdelen een niche-onderwerp. Additieve productieprocessen zijn afhankelijk van het continu laag voor laag printen van materiaal, met strenge smelt- en stollingsvereisten. Wanneer het printproces wordt onderbroken, wordt de thermodynamica die de bindingssterkte en het ontstaan van defecten in de laag regelt, verstoord. Onderbrekingen in additieve fabricageprocessen zullen naar verwachting de hechting tussen de lagen beïnvloeden, waardoor de ontwikkeling van een uniforme microstructuur en mechanische eigenschappen van metalen onderdelen in gevaar komt.
Zelfs zonder rekening te houden met procesonderbrekingen, is er duidelijk ruimte voor verbetering in metaaladditieve fabricage in termen van maatnauwkeurigheid en materiaaleigenschappen. Tijdens 3D-printen bepalen de stollingskinetiek en de binding tussen de lagen de korrelstructuur en mechanische eigenschappen van het onderdeel, die worden bepaald door thermische gradiënten, afkoelsnelheden en thermische cycli. Hoewel het fusieproces voor 3D-printen moeilijk te beheersen is, kunnen deze factoren worden geoptimaliseerd door continue en ononderbroken depositie en thermische controle.
Tijdens de productie van 3D-printen kunnen er echter procesonderbrekingen optreden vanwege de mogelijke noodzaak om bewakingselementen (zoals sensoren, actuatoren en apparaten voor het oogsten van energie) in te bedden, materialen aan te vullen, productieschema's te wijzigen, enz. Daarnaast kunnen ook procesonderbrekingen optreden door stroomuitval en machinestoringen. Wanneer het printproces wordt onderbroken, zal het bedrukte deel geleidelijk afkoelen, wat resulteert in het verschijnen van defecten en inhomogene microstructuren als gevolg van onderbrekingen in thermische cycli en onregelmatige thermische gradiënten. Dientengevolge worden de mechanische eigenschappen van het eindproduct aangetast. Mogelijke defecten zijn onder meer gebrek aan fusie, instorting van het sleutelgat, porositeit, stollingsscheuren, scheurvorming in vaste toestand, slechte interlaminaire / oppervlaktebindingssterkte, onvolledige bindmiddelontbinding, enz.
De impact van procesonderbrekingen op de algehele prestaties van 3D-printonderdelen
Voor de meeste metalen 3D-printprocessen verschijnen procesonderbrekingen met zichtbare kleur bij de verbindingen, die "procesmarkeringen" worden genoemd. In de onderbroken gebieden van de bestudeerde monsters zijn zowel kleurveranderingen als gevolg van thermische effecten als defecten in het onderdeel aanwezig. Zichtbare defecten kunnen blijven bestaan langs procesonderbrekingslijnen en zullen naar verwachting een negatieve invloed hebben op de mechanische eigenschappen van de monsters. Om de monsters en gesneden monsters verder te onderzoeken, werden NDT-experimenten uitgevoerd om mogelijke veranderingen in materiaalstructuur en mechanische eigenschappen voor en na procesonderbreking verder te evalueren.
Onderzoekers van de Universiteit van Jordanië hebben procesonderbrekingen onderzocht tijdens additieve fabricage van boogdraad. Ze namen onderdelen van 130×17×150 mm als onderzoeksobject en gebruikten Ti-6Al-4V om af te drukken. Na 8 uur en het vormen bereikte de hoogte 120 mm, het printen werd onderbroken en het printproces werd hervat nadat de dode tijd 6 uur had geduurd. Gedurende deze tijd koelt het vormdeel af tot kamertemperatuur.
Monsters die door onderzoekers zijn afgedrukt, kunnen worden uitgesneden voor analyse
Variaties in de thermische geschiedenis van het onderdeel kunnen de vorming van de korrelstructuur hebben beïnvloed. Het belangrijkste verschil tussen de microstructuur in gebieden met een normaal en onderbroken productieproces is de grootte van de korrels. Terwijl de korrelgrootte van de monsters onder normale procesomstandigheden redelijk uniform is, hadden de monsters uit de regio waar het proces werd onderbroken niet-uniforme korrelgroottes. Textuur- en korrelgrootteverschillen in het normale proces en onderbroken procesgebieden waren de belangrijkste bevindingen van de microscopische evaluatie. Bovendien kunnen, als gevolg van de interactie van de omstandigheden van de eerder afgezette lagen en de interactie van het nieuwe depositieproces, de stollingsomstandigheden (zoals de vorm van het smeltbad en de groeisnelheid), thermische gradiënten en afkoelsnelheden zijn veranderd, en de mechanisme van defect generatie zal ook worden beïnvloed.
Zichtbare defecten bij procesonderbrekingslijnen
Testen met resonante ultrasone spectroscopie onthulden belangrijke veranderingen in de integriteit van onderdelen; testen van nanomechanische eigenschappen vond een vermindering van Young's modulus en hardheidswaarden in gebieden waar het proces werd onderbroken; Röntgencomputertomografie onthulde dat het aantal defecten in de onderbroken gebieden groter en groter was dan in de andere gebieden; significante signaalverzwakking en terugverstrooiing worden weergegeven in het ultrasone signaal.
CT-beeld van het gebied waar het proces werd onderbroken
Testen van materiaaleigenschappen concludeerden dat de procesonderbreking een significante impact had op het primaire materiaal en de mechanische eigenschappen van het onderdeel. De korrelstructuur, textuur en defectniveaus van monsters die op of na het onderbroken gebied zijn vervaardigd, leken anders te zijn dan monsters die geen procesonderbreking ondervonden of eerder waren afgedrukt. In het bijzonder zijn de sterkte en integriteit van het onderdeel lager in het onderbroken gebied; en de grootte en verdeling van defecten in het onderbroken gebied zijn veel groter.
Procesonderbrekingen inspireren tot herfabricage en reparatie van 3D-printen
Aangezien is aangetoond dat de grootte en verdeling van defecten zoals scheuren en porositeit de structurele integriteit en materiaaleigenschappen van additief vervaardigde onderdelen aanzienlijk veranderen, kan het gebied van verstoring een kritiek gebied zijn dat de veiligheid van de algehele structuur beïnvloedt. Dit is vooral belangrijk bij het overwegen van een soort procesonderbreking, met name een revisieproces of reparatie met behulp van additive manufacturing.
Om deze reden, wanneer deze componenten worden gebruikt als kritische componenten in lucht- en ruimtevaart, medische en transporttoepassingen, kan het kwaliteitsborgingsproces van deze componenten worden onderworpen aan strengere kwaliteitstests en niet-destructieve tests. De ernst en defectverdeling in procesonderbrekingsgebieden kan worden verminderd door sommige pre- en post-fab processen. Het voorverwarmen van het onderdeel tot fabricagetemperatuur voordat het proces na een onderbreking opnieuw wordt gestart, vermindert de effecten van thermische schokken en spanning en vermindert de ontwikkeling van defecten en scheuren. In termen van nabewerking kunnen verschillende remedies, zoals warmtebehandelingsprocessen of heet isostatisch persen (HIP) de integriteit en prestaties van onderdelen helpen verbeteren. Deze voorgestelde overwegingen moeten in toekomstige studies worden onderzocht om de exacte geschiktheid en impact op de kwaliteit van de eindassemblage te bepalen.