Kaip patikrinti metalinių 3D spausdinimo formų stiprumą?

一, Pagrindinis stiprumo bandymo metodas
Metalinių 3D spausdinimo formų stiprumo bandymai turi apimti tris aspektus: medžiagos atributus, mikrostruktūrą ir defektų kontrolę, sukuriant kelių-pakopų ir{2}}dimensijų bandymo kilpą.
1. Mechaninių savybių tikrinimas: kiekybinio stiprumo indeksas
Tempimo bandymas: naudokite universalią bandymo įrangą, kad formos medžiaga būtų apkrauta ašine tempimo apkrova. Tai parodys jo atsparumą tempimui (UTS), takumo ribą (YS) ir pailgėjimą trūkimo metu (EL). Pavyzdžiui, titano lydinio formos turi atitikti ASTM E8 standartą, o jų UTS turi būti nuo 800 iki 1000 MPa, o jų YS turi būti ne mažesnė kaip 700 MPa.
Suspaudimo testas: patikrinkite, ar formos stabilumas yra suspaustas. Šis bandymas ypač naudingas laikantis konstrukcijų ar komponentų su storomis sienomis. Pavyzdžiui, GB/T 7314 standartas turi būti naudojamas aliuminio lydinio formų atsparumui gniuždymui patikrinti, siekiant įsitikinti, kad formuojant aukštą slėgį jos nesilanksto.
Atliekamas trijų{0}}taškų arba keturių{1}}taškų lenkimo testas, siekiant pamatyti, koks standus yra lenkdamasis ir koks stiprus ryšys tarp sluoksnių. Nerūdijančio plieno formų atsparumo lenkimui bandymas pagal ISO 14125 yra vienas iš būdų, kaip apsaugoti, kad tarpsluoksnių lupimasis nesukeltų gedimo.
Smūgio bandymas: naudokite švytuoklės smūgio bandymo mašiną, kad imituotumėte dinamines apkrovas ir sužinotumėte, koks atsparus yra pelėsis (pvz., Charpy V{0}}įpjovos smūgio energija). Pavyzdžiui, aviacinių variklių mentelių forma turi atitikti ASTM E23 standartą, kad būtų užtikrinta, jog ji lengvai nesulūžtų, kai naudojama atšiauriomis aplinkybėmis.
Nuovargio testas: naudokite aukšto{0}}dažnio nuovargio bandymo aparatą, kad imituotumėte ciklo apkrovas ir išsiaiškintumėte, kiek laiko veiks pelėsiai, kol jis pavargs. Pavyzdžiui, automobilių liejimo formos turi atitikti ISO 12107 standartą ir turėti ne mažesnę kaip 300 MPa nuovargio ribą, kad atlaikytų ilgalaikį -aukšto{5}}slėgio štampavimo įtempį.
2. Mikrostruktūros analizė: išsiaiškinkite, kas leidžia stiprinti
Naudokite metalografinį mikroskopą (OM), kad pamatytumėte formos grūdelių dydį, fazės sudėtį ir tarpsluoksnių sąsają. Pavyzdžiui, formos, pagamintos naudojant SLM (selektyvus lazerinis lydymas), dažnai turi mikroskopinius lygiagrečius grūdelius, todėl jie yra daugiau nei 30 % stipresni nei standartiniai liejiniai.
Skenuojantis elektroninis mikroskopas (SEM): pažiūrėkite, kaip atsiranda ir plinta įtrūkimai, ir ieškokite trūkumų, tokių kaip susiliejimo trūkumas ir poringumas. Pavyzdžiui, SEM turi patikrinti EBM (lydymosi elektronų pluoštu) formas, kad įsitikintų, jog jos nėra per poringos (mažesnės arba lygios 0,5 %) ir išvengtų įtempių koncentracijos.
Elektronų atgalinės sklaidos difrakcija (EBSD): išmatuokite kristalų orientacijos skirtumą (KAM vertė) ir patikrinkite, kaip medžiaga gali deformuotis vietoje. Pavyzdžiui, vietose, kuriose yra didelės KAM vertės, gali atsirasti įtrūkimų, todėl grūdų orientacijai pagerinti reikalingas terminis apdorojimas.
3. Raskite trūkumus: atsikratykite paslėptų stiprumo pavojų
Kompiuterinė tomografija pramonės reikmėms: tikrinama, ar nėra vidinių formų, kurios jų nepažeidžia, defektų, pvz., porų, įtrūkimų ir dėmių, kur pelėsiai nevisiškai susiliejo. Pavyzdžiui, aviacinės formos turi atitikti ISO 17637 standartą, kad būtų užtikrinta, jog defektai būtų ne didesni nei 0,1 mm, o nuovargio įtrūkimai neišplistų.
Ultragarsinis bandymas (UT) aptinka gedimus, esančius giliai viduje, ir geriausiai tinka formoms su storomis sienelėmis. Pavyzdžiui, automobilių skydų formos turi atitikti ASTM E233 standartą, kad būtų galima rasti bent 50 mm gylio vidaus defektus.
Rentgeno fluorescencinė spektroskopija (XRF): greitai patikrinkite pelėsių cheminę sudėtį ir įsitikinkite, kad elemento kiekis yra toks, koks turėtų būti. Pavyzdžiui, nikelio{2}} lydinio formos turi atitikti ISO 3497 standartą, kad kritinių sudedamųjų dalių, tokių kaip Cr ir Mo, diapazonas būtų mažesnis nei 0,5 %.
2, Testavimo standartų sistema, skirta tiek tarptautiniam, tiek vidaus naudojimui
Metalinių 3D spausdinimo formų stiprumas turi būti išbandytas pagal griežtus tarptautinius ir vietinius standartus, siekiant įsitikinti, kad duomenis galima palyginti ir ar laikomasi taisyklių.
1. Standartai iš viso pasaulio
ISO/ASTM 52900: nustato 3D spausdinimo terminų apibrėžimus ir klasifikacijas, suteikdamas pagrindą tvirtumo bandymams.
ISO 23499: nustato metalinių 3D spausdintų gaminių matmenų tikslumo ir paviršiaus kokybės standartus. Tai turi netiesioginį poveikį stiprumo bandymams.
ASTM E8/E23/E466: Tai yra pagrindiniai pelėsių stiprumo bandymo standartai. Jie jums pasakys, kaip atlikti tempimo, smūgio ir nuovargio testus.
2. Standartai namams
GB/T 39251: paaiškinkite mėginių ruošimo ir naudojimo taisykles tempimo, gniuždymo, lenkimo ir kitiems 3D spausdintų metalinių medžiagų mechaninių savybių bandymams.
GB/T 39651: išdėstyti metalo priedų gamybos dalių tikrinimo ir įvertinimo žingsniai, įskaitant defektų klasifikavimą ir priėmimo kriterijų nustatymą.
QB/T 5696: Šiame standarte kalbama apie metalinių 3D spausdinimo medžiagų kokybę ir nustatomi ypatingi reikalavimai tokiems dalykams kaip miltelių dalelių dydis ir takumas, kurie netiesiogiai turi įtakos formos stiprumui.
3, Svarbios techninės problemos ir kaip jas išspręsti
Kad metalinės 3D spausdinimo formos būtų tvirtesnės, turime rasti būdų, kaip išspręsti tokias problemas kaip anizotropija, liekamasis įtempis ir paviršiaus kokybė. Tai galima padaryti naudojant naujas technologijas ir geresnius procesus.
1. Anizotropijos valdymas
3D spausdintų formų stiprumas kinta priklausomai nuo spausdinimo orientacijos (išilginė, skersinė, įstriža). Pavyzdžiui, SLM sukurtų formų išilginis stiprumas gali būti 20% didesnis nei skersinis.
Sprendimas: patobulinkite nuskaitymo būdą: naudokite šaškių lentą arba spiralinį nuskaitymo kelią, kad šiluminio įtempio pokyčiai sluoksniuose būtų mažiau pastebimi.
Sustiprinimas po-apdirbimo: karštasis izostatinis presavimas (HIP) pašalina poras, todėl formos tankis padidėja iki 99,9 %.
Daugiakryptis{0}bandymas: mėginiai imami trimis skirtingomis kryptimis-išilgine, skersine ir įstrižai-, siekiant įsitikinti, kad minimalus stiprumas atitinka projektavimo standartus.
2. Liekamojo įtempio valdymas Problema: kai 3D spausdinimas per greitai atvėsta, gali susidaryti liekamasis įtempis, dėl kurio pelėsiai gali sulinkti arba suskilti.
Sprendimas: Atkaitinimas nuo streso: palaikykite 500–600 laipsnių temperatūroje 2–4 valandas, kad atsikratytumėte vidinio streso.
Lazerinis smūginis šveitimas naudoja didelės{0}}energijos lazerio spindulius, kad pakeistų paviršiaus formą, padidintų liekamąjį gniuždymo įtempį ir ilgiau išliktų medžiaga.
Stebėjimas prisijungus: naudokite įtaisytuosius{0}}šviesolaidžius jutiklius, kad galėtumėte stebėti įtampos pasiskirstymą realiuoju laiku ir, jei reikia, keisti spausdinimo nustatymus.
3. Geresnė paviršiaus kokybė Problema: 3D spausdintų formų paviršiaus šiurkštumas (Ra) paprastai yra 10–20 μm, todėl jas lengva suskilti.
Atsakymas:
Mechaninis poliravimas: CNC poliravimo mašina gali sumažinti Ra iki mažiau nei 0,8 μm, todėl paviršius tampa tvirtesnis.
Cheminis poliravimas: naudojamas plovimas rūgštimi arba elektrolitinis poliravimas, siekiant atsikratyti nedidelių paviršiaus defektų ir padaryti paviršių atsparesnį korozijai.
Šūvio svaidymas: šis procesas prideda paviršių liekamojo gniuždymo įtempio sluoksnį, smogdamas į jį didelio greičio{0}}sviediniais. Dėl to jis tampa atsparesnis nuovargiui.
4, Atvejo analizė ir pramonės praktika
1 atvejis. Orlaivio variklio mentės forma
Medžiaga yra aukštos temperatūros lydinys (Inconel 718).
Testo akcentas:
Atsparumas aukštai temperatūrai: GB/T 4338 standartas teigia, kad atsparumas tempimui turi būti išbandytas 650 laipsnių kampu, kad įsitikintumėte, jog jis yra ne mažesnis kaip 800 MPa.
Šiluminio nuovargio efektyvumas: naudokite ISO 12111, kad patikrintumėte lūžių plitimo greitį variklio užvedimo{1}}stabdymo ciklų metu.
Mikrostruktūra: naudokite EBSD, kad peržiūrėtumėte fazės pasiskirstymą ir įsitikinkite, kad stiprinimo fazės dydis yra mažesnis arba lygus 50 nm. Dėl to medžiaga bus stabilesnė aukštoje temperatūroje.
Forma tarnauja tris kartus ilgiau nei standartiniai liejiniai – tiek reikia, kad orlaivių varikliai veiktų 100 000 valandų.
2 atvejis: automobilio dangčio forma
Medžiaga: didelio stiprumo plienas (H13)
Ką išbandyti:
Atsparumas dilimui: ASTM G65 standartas tikrina nusidėvėjimo kiekį, kad įsitikintų, jog jis yra mažesnis arba lygus 0,1 g/1000 apsisukimų.
Atsparumas smūgiams: pagal ISO 148 standartą Charpy smūgio energija turi būti ne mažesnė kaip 30 J.
Matmenų tikslumas: naudokite CMM bandymą, kad įsitikintumėte, jog formos paviršiaus netikslumas yra mažesnis arba lygus 0,05 mm.
Forma tarnauja 500 000 štampavimo ciklų, tai yra 50 % ilgiau nei kitos formos.