1. De huidige situatie met betrekking tot metaalsterkte bij 3D-printen
Metaalpoeder wordt laag voor laag gesmolten en uitgehard om tijdens het 3D-printen de gewenste vorm te creëren. Niettemin zorgen de gecompliceerde temperatuurgradiënt, de snelle afkoeling en de laag-voor-laag-stapeleigenschappen tijdens het drukproces ervoor dat de interne microstructuur van metalen varieert van die welke wordt bereikt door conventionele giet- of smeedtechnieken. Korrelvorm, faseverdeling en microscopische fouten – die de prestaties en sterkte van 3D-geprint metaal beïnvloeden – weerspiegelen deze variaties vooral.
De sterkte en ductiliteit van metalen materialen zijn al lang in gevaar gebracht; hoge sterkte is meestal het gevolg van lage ductiliteit, en omgekeerd. Maar op het gebied van 3D-printen is deze afweging steeds ingewikkelder geworden. Hoewel 3D-printen talloze mogelijkheden biedt voor het optimaliseren van ontwerpen door metalen onderdelen met ingewikkelde geometrische vormen en microstructuren te produceren, zijn de sterkte en prestaties ervan soms moeilijk te bereiken op het niveau van conventionele processen vanwege de verschillende microdefecten en korrelinhomogeniteit die tijdens het printproces worden geïntroduceerd.
2. Technieken om de sterkte van 3D-geprint metaal te vergroten
Onderzoekers hebben verschillende benaderingen gevolgd om de sterkte van 3D-geprinte metalen te vergroten.
optimaliseren van het legeringsontwerp: De microstructuur en de eigenschappen van het metaal kunnen sterk worden veranderd door de legeringssamenstelling te variëren. Voor titaniumlegeringen kan het gebruik van molybdeen (Mo) bijvoorbeeld helpen de fasestabiliteit en uniformiteit van sterkte en ductiliteit te vergroten. Door gebruik te maken van een legeringsontwerp met dubbele functie is een 3D-geprinte titaniumlegering met superhomogeniteit, hoge sterkte en ductiliteit verkregen door een gecombineerd team bestaande uit de Technische Universiteit van Denemarken, Chongqing Universiteit en de Universiteit van Queensland. De ductiliteit is 26%; de vloeigrens is 926 MPa.
Controlemethode: proces De microstructuur en kwaliteiten van metalen worden sterk beïnvloed door parameters die tijdens het printproces worden vastgesteld, waaronder laservermogen, scansnelheid, laagdikte, enz. Microfouten kunnen worden geminimaliseerd en de sterkte en kwaliteiten van het metaal worden verbeterd door deze factoren te optimaliseren.
Wijziging van de microstructuur van korrels en versterking van de fijne korrelgrens. De sterkte en hardheid van metalen kunnen worden verhoogd door de korrelvorm en -vorm te verbeteren. Het gebruik van ultrasone golven met hoge intensiteit, het aanpassen van verwerkingsinstellingen of het toevoegen van heterostructuren zou bijvoorbeeld kunnen helpen bij de ontwikkeling van gelijkassige kristallen, waardoor de ontwikkeling van kolomvormige korrels wordt verminderd en daarmee de versterking en ductiliteit van 3D-geprinte metalen.
na verwerking: Na het printen kan warmtebehandeling de microstructuur en kwaliteiten van metalen veel beter maken. Niettemin moet worden vermeld dat een zorgvuldige keuze van de warmtebehandelingsparameters essentieel is, aangezien warmtebehandeling nieuwe microfouten kan veroorzaken of de oorspronkelijke microstructuur kan veranderen.
3. In plaats van een casestudy over driedimensionale metaalsterkte
Hoge sterkte en ductiliteit van titaniumlegeringen: Het toevoegen van molybdeenelementen heeft extreem homogene, zeer sterke en ductiele 3D-geprinte titaniumlegeringen opgeleverd, zoals eerder vermeld door een gecombineerd team van Australische universiteiten, waaronder de Universiteit van Queensland. Naast de geweldige mechanische eigenschappen heeft deze titaniumlegering een goed hardingsvermogen, wat deuren opent voor gebruik in hoogwaardige sectoren, waaronder de lucht- en ruimtevaart.
Het samenwerkingsteam van het Institute of Metals van de Chinese Academie van Wetenschappen en de Universiteit van Californië, Berkeley, VS, heeft een bijna poriënvrije, bijna porievrije Ti-6Al-4V-legering ontwikkeld door de uitvinding een nieuw NAMP-proces voor stapsgewijze regulatie van defecten en weefsel, met hoge weerstand tegen vermoeidheid. Van alle geregistreerde materiaalvermoeidheidsgegevens is de trek-trekvermoeidheidssterkte van deze legering maar liefst 978 MPa, de grootste specifieke vermoeidheidssterkte. Dit succes toont de bijzondere voordelen van de 3D-printtechnologie bij vermoeidheidsbestendige productie en verandert de natuurlijke kennis van mensen over de lage prestaties van 3D-printmaterialen.
Een onderzoeksteam van Purdue University heeft een extra sterke aluminiumlegering gemaakt die geschikt is voor 3D-printen. Door overgangsmetalen zoals kobalt, ijzer, nikkel en titanium in aluminium te integreren om meerlaagse, gelaagde vervormbare intermetallische verbindingen op nanoschaal te genereren, creëerden ze een nieuw type aluminiumlegering dat grote sterkte en een goed plastisch vervormingsvermogen combineert. De sterkte van deze aluminiumlegering overtreft 900 MPa, waardoor er geweldige mogelijkheden ontstaan voor het gebruik van zeer sterke aluminiumlegeringen in verschillende sectoren.
https://www.china-3dprinting.com/metal-3d-printing/3d-printing-inconel-625-turbine-blades.html