Erilaiset metallin valmistus- ja käsittelymenetelmät vaikuttavat merkittävästi lopputuotteen materiaalirakenteeseen ja mekaanisiin ominaisuuksiin perinteisestä subtrektiivisesta valmistuksesta nousevaan lisäainevalmistukseen. Perinteisten valmistusmenetelmien vaikutus metallien mekaanisiin ominaisuuksiin on laajalti tunnustettu, mutta lisäaineiden valmistusprosessien ja tuotteen ominaisuuksien välinen suhde on varsin monimutkainen ja tärkeä tutkimusalan aihe.
Monien tutkimusten joukossa 3D-tulostusprosessin keskeytyksen vaikutus metallin lisäaineella valmistettujen osien mikrorakenteeseen ja ominaisuuksiin on niche-aihe. Additiiviset valmistusprosessit perustuvat jatkuvaan materiaalin painamiseen kerros kerrokselta, ja sulatus- ja jähmettymisvaatimukset ovat tiukat. Kun painatusprosessi keskeytyy, termodynamiikka, joka ohjaa sidoslujuutta ja vikojen muodostumista kerroksen sisällä, häiriintyy. Lisäaineiden valmistusprosessien keskeytysten odotetaan vaikuttavan kerrosten väliseen sidokseen, mikä vaarantaa metalliosien yhtenäisen mikrorakenteen ja mekaanisten ominaisuuksien kehittymisen.
Metallin lisäaineiden valmistuksessa on mittatarkkuuden ja materiaaliominaisuuksien osalta selkeästi parantamisen varaa ilman prosessin keskeytyksiäkin. 3D-tulostuksen aikana jähmettymiskinetiikka ja kerrosten välinen sidos määräävät osan raerakenteen ja mekaaniset ominaisuudet, joita säätelevät lämpögradientit, jäähdytysnopeudet ja lämpökierto. Vaikka 3D-tulostuksen fuusioprosessia on vaikea hallita, nämä tekijät voidaan optimoida jatkuvalla ja keskeytymättömällä pinnoituksella ja lämpösäädöllä.
3D-tulostuksen tuotannon aikana voi kuitenkin esiintyä prosessikatkoksia, jotka johtuvat mahdollisesta tarve upottaa valvontaelementtejä (kuten antureita, toimilaitteita ja energiankeräyslaitteita), täydentää materiaaleja, muuttaa tuotantoaikatauluja jne. Lisäksi voi esiintyä myös prosessien keskeytyksiä. sähkökatkojen ja konevikojen vuoksi. Kun tulostusprosessi keskeytyy, painettu osa jäähtyy vähitellen, mikä johtaa vikojen ja epähomogeenisten mikrorakenteiden ilmaantumista lämpökierron keskeytyksistä ja epäsäännöllisistä lämpögradienteista johtuen. Tämän seurauksena lopputuotteen mekaaniset ominaisuudet vaarantuvat. Mahdollisia vikoja ovat sulamisen puute, avaimenreiän romahtaminen, huokoisuus, jähmettymishalkeilu, solid-state-halkeilu, huono kerrosten välinen/pintasidoslujuus, epätäydellinen sideaineen irtoaminen jne.
Prosessihäiriöiden vaikutus 3D-tulostusosien yleiseen suorituskykyyn
Useimmissa metallien 3D-tulostusprosesseissa prosessikatkokset näkyvät väreinä liitoksissa, joita kutsutaan "prosessijälkiksi". Tutkittujen näytteiden keskeytetyillä alueilla esiintyy sekä lämpövaikutuksista johtuvia värimuutoksia että osan vikoja. Näkyviä vikoja voi esiintyä prosessin keskeytyslinjoilla, ja niiden odotetaan vaikuttavan negatiivisesti näytteiden mekaanisiin ominaisuuksiin. Näytteiden ja viipaloitujen näytteiden tutkimiseksi edelleen suoritettiin NDT-kokeita, joilla arvioitiin edelleen mahdollisia muutoksia materiaalin rakenteessa ja mekaanisissa ominaisuuksissa ennen ja jälkeen prosessin keskeytyksen.
Jordanian yliopiston tutkijat ovat tutkineet prosessin keskeytyksiä kaarilangan lisäaineiden valmistuksen aikana. He ottivat tutkimuskohteena 130×17×150 mm osia ja käyttivät Ti-6Al-4V:tä tulostukseen. 8 tunnin ja muovauksen jälkeen korkeus saavutti 120 mm, painatus keskeytettiin ja painatusprosessia jatkettiin kuolleen ajan kestäneen 6 tuntia. Tänä aikana muotoiltu osa jäähtyy huoneenlämpötilaan.
Tutkijoiden tulostamat näytteet voidaan leikata analysoitavaksi
Osan lämpöhistorian vaihtelut ovat saattaneet vaikuttaa raerakenteen muodostumiseen. Suurin ero normaalien ja keskeytettyjen valmistusprosessien alueiden mikrorakenteen välillä on rakeiden koko. Vaikka näytteiden raekoko on melko tasainen normaaleissa prosessiolosuhteissa, näytteillä, jotka olivat peräisin alueelta, jossa prosessi keskeytettiin, oli epäyhtenäinen raekoko. Rakenne- ja raekokoerot normaalissa prosessissa ja keskeytetyillä prosessialueilla olivat mikroskooppisen arvioinnin tärkeimmät havainnot. Lisäksi johtuen aiemmin kerrostettujen kerrosten olosuhteiden vuorovaikutuksesta ja uuden saostusprosessin vuorovaikutuksesta jähmettymisolosuhteet (kuten hitsialtaan muoto ja kasvunopeus), lämpögradientit ja jäähtymisnopeudet ovat saattaneet muuttua ja se vaikuttaa myös vikojen muodostumismekanismiin.
Näkyviä vikoja prosessin keskeytyslinjoissa
Testaus resonanssi-ultraäänispektroskopialla paljasti tärkeitä muutoksia osien eheydessä; nanomekaanisten ominaisuuksien testaus havaitsi Youngin moduuli- ja kovuusarvojen alenemisen alueilla, joilla prosessi keskeytettiin; Röntgentietokonetomografia paljasti katkosten alueiden sisältämiä vikoja enemmän ja kooltaan muita alueita suurempia; merkittävä signaalin vaimennus ja takaisinsironta näkyvät ultraäänisignaalissa.
CT-kuva alueesta, jossa prosessi keskeytettiin
Materiaaliominaisuuksien testauksessa todettiin, että prosessin keskeytyksellä oli merkittävä vaikutus osan primäärimateriaaliin ja mekaanisiin ominaisuuksiin. Katkosalueella tai sen jälkeen valmistettujen näytteiden raerakenne, rakenne ja virhetasot näyttivät poikkeavan näytteistä, joissa prosessi ei keskeytynyt tai jotka oli painettu aiemmin. Erityisesti osan lujuus ja eheys ovat pienempiä katkoalueella; ja vikojen koko ja jakautuminen keskeytetyllä alueella ovat paljon suurempia.
Prosessihäiriöt inspiroivat 3D-tulostuksen uudelleenvalmistusta ja korjausta
Koska vikojen, kuten halkeamien ja huokoisuuden, koon ja jakautumisen on osoitettu muuttavan merkittävästi lisäaineella valmistettujen osien rakenteellista eheyttä ja materiaaliominaisuuksia, häiriöalue voi olla kriittinen alue, joka vaikuttaa koko rakenteen turvallisuuteen. Tämä on erityisen tärkeää harkittaessa jonkinlaista prosessihäiriötä, erityisesti uudelleenvalmistusprosessia tai korjausta lisäainevalmistusta käyttämällä.
Tästä syystä, kun näitä komponentteja käytetään kriittisinä komponentteina ilmailu-, lääketieteellinen- ja kuljetussovelluksissa, näiden komponenttien laadunvarmistusprosessi voi olla tiukemman laatutestauksen ja ainetta rikkomattoman testauksen kohteena. Vakavuutta ja vikojen jakautumista prosessin keskeytysalueilla voidaan vähentää joillakin esi- ja jälkikäsittelyprosesseilla. Osan esikuumennus valmistuslämpötilaan ennen prosessin uudelleen käynnistämistä keskeytyksen jälkeen vähentää lämpöshokin ja jännityksen vaikutuksia sekä vähentää vikojen ja halkeamien kehittymistä. Jälkikäsittelyssä useat korjaustoimenpiteet, kuten lämpökäsittelyprosessit tai kuumaisostaattinen puristus (HIP), voivat auttaa parantamaan osien eheyttä ja suorituskykyä. Näitä ehdotettuja näkökohtia on tutkittava tulevissa tutkimuksissa lopullisen kokoonpanon tarkan soveltuvuuden ja vaikutuksen määrittämiseksi.