De la fabricarea tradițională subtractivă până la fabricarea aditivă în curs de dezvoltare, diferitele metode de fabricare și prelucrare a metalelor au un impact semnificativ asupra structurii materialului și proprietăților mecanice ale produsului final. Influența metodelor tradiționale de fabricație asupra proprietăților mecanice ale metalelor a fost recunoscută pe scară largă, dar relația dintre procesele de fabricație aditivă și caracteristicile produsului este destul de complexă și este un subiect important în domeniul cercetării.
Printre numeroasele studii, impactul întreruperii procesului de imprimare 3D asupra microstructurii și proprietăților pieselor metalice fabricate aditiv este un subiect de nișă. Procesele de fabricație aditivă se bazează pe imprimarea continuă a materialului strat cu strat, cu cerințe stricte de topire și solidificare. Când procesul de imprimare este întrerupt, termodinamica care controlează rezistența aderării și generarea defectelor în strat este perturbată. Se așteaptă ca întreruperile proceselor de fabricație aditivă să afecteze legarea interstraturilor, compromițând dezvoltarea microstructurii uniforme și a proprietăților mecanice ale pieselor metalice.
Chiar și fără a lua în considerare întreruperile procesului, există loc clar de îmbunătățire în fabricarea aditivilor metalici în ceea ce privește precizia dimensională și proprietățile materialului. În timpul imprimării 3D, cinetica de solidificare și legarea interstraturilor determină structura granulelor și proprietățile mecanice ale piesei, care sunt guvernate de gradienții termici, ratele de răcire și ciclurile termice. În timp ce procesul de fuziune pentru imprimarea 3D este dificil de controlat, acești factori pot fi optimizați prin depunere continuă și neîntreruptă și control termic.
Cu toate acestea, în timpul producției de imprimare 3D, pot apărea întreruperi ale procesului din cauza posibilei necesități de a încorpora elemente de monitorizare (cum ar fi senzori, actuatoare și dispozitive de colectare a energiei), completarea materialelor, modificarea programelor de producție etc. În plus, pot apărea și întreruperi ale procesului. din cauza întreruperilor de curent și a defecțiunilor mașinii. Când procesul de imprimare este întrerupt, piesa imprimată se va răci treptat, rezultând apariția de defecte și microstructuri neomogene din cauza întreruperilor ciclului termic și a gradientelor termice neregulate. În consecință, proprietățile mecanice ale produsului final sunt compromise. Posibilele defecte includ lipsa de fuziune, colapsul găurii de cheie, porozitatea, fisurarea prin solidificare, fisurarea în stare solidă, rezistența slabă a legăturii interlaminare/suprafață, dezlegarea incompletă a liantului etc.
Impactul întreruperilor procesului asupra performanței generale a pieselor de imprimare 3D
Pentru majoritatea proceselor de imprimare 3D din metal, întreruperile procesului apar cu culoare vizibilă la îmbinări, care sunt numite „semne de proces”. În zonele întrerupte ale probelor studiate sunt prezente atât modificări de culoare datorate efectelor termice, cât și defecte ale piesei. Defectele vizibile pot persista de-a lungul liniilor de întrerupere a procesului și se așteaptă să aibă un impact negativ asupra proprietăților mecanice ale probelor. Pentru a examina în continuare probele și probele feliate, au fost efectuate experimente NDT pentru a evalua în continuare potențialele modificări ale structurii materialului și proprietăților mecanice înainte și după întreruperea procesului.
Cercetătorii de la Universitatea din Iordania au investigat întreruperile procesului în timpul producției de aditivi ai firului cu arc. Au luat piese de 130 × 17 × 150 mm ca obiect de cercetare și au folosit Ti-6Al{-4V pentru imprimare. După 8 ore și turnarea, înălțimea a ajuns la 120 mm, imprimarea a fost întreruptă, iar procesul de imprimare a fost reluat după ce timpul mort a durat 6 ore. În acest timp, piesa turnată se răcește la temperatura camerei.
Eșantioanele tipărite de cercetători pot fi tăiate pentru analiză
Variațiile în istoria termică a piesei pot să fi afectat formarea structurii granulației. Principala diferență între microstructura în regiunile normale și întrerupte ale procesului de fabricație este dimensiunea boabelor. În timp ce dimensiunea granulelor probelor este destul de uniformă în condiții normale de proces, eșantioanele din regiunea în care procesul a fost întrerupt au avut dimensiuni neuniforme ale granulelor. Diferențele de textura și dimensiunea granulelor în regiunile procesului normal și procesului întrerupt au fost principalele constatări ale evaluării microscopice. În plus, datorită interacțiunii dintre condițiile straturilor depuse anterior și interacțiunea noului proces de depunere, condițiile de solidificare (cum ar fi forma bazinului de sudură și rata de creștere), gradienții termici și ratele de răcire s-ar putea să se fi modificat, iar mecanismul de generare a defectelor va fi de asemenea afectat.
Defecte vizibile la liniile de întrerupere a procesului
Testarea prin spectroscopie ultrasonică rezonantă a relevat schimbări importante în integritatea pieselor; testarea proprietăților nanomecanice a constatat o reducere a modulului Young și a valorilor durității în zonele în care procesul a fost întrerupt; Tomografia computerizată cu raze X a evidențiat numărul de defecte conținute în zonele întrerupte mai mult și mai mare ca dimensiuni decât celelalte regiuni; atenuarea semnificativă a semnalului și retrodifuziunea sunt afișate în semnalul cu ultrasunete.
Imagine CT a zonei în care procesul a fost întrerupt
Testarea proprietăților materialului a concluzionat că întreruperea procesului a avut un impact semnificativ asupra materialului primar și proprietăților mecanice ale piesei. Structura granulelor, textura și nivelurile de defecte ale probelor fabricate la sau după zona întreruptă par să fie diferite de mostrele care nu au suferit nicio întrerupere a procesului sau care au fost imprimate anterior. În special, rezistența și integritatea piesei sunt mai mici în regiunea întreruptă; iar dimensiunea și distribuția defectelor în regiunea întreruptă sunt mult mai mari.
Întreruperile procesului inspiră refacerea și repararea imprimării 3D
Deoarece dimensiunea și distribuția defectelor, cum ar fi fisurile și porozitatea, s-a demonstrat că modifică în mod semnificativ integritatea structurală și proprietățile materialelor pieselor fabricate aditiv, zona de perturbare poate fi o zonă critică care afectează siguranța structurii generale. Acest lucru este deosebit de important atunci când se ia în considerare un fel de întrerupere a procesului, în special un proces de remanufactură sau reparații folosind fabricarea aditivă.
Din acest motiv, atunci când aceste componente sunt utilizate ca componente critice în aplicații aerospațiale, medicale și de transport, procesul de asigurare a calității acestor componente poate fi supus unor teste de calitate mai stricte și testări nedistructive. Severitatea și distribuția defectelor în regiunile de întrerupere a procesului pot fi reduse prin unele procese pre- și post-fab. Preîncălzirea piesei la temperatura de fabricație înainte de a reporni procesul după o întrerupere reduce efectele șocului termic și stresului și reduce dezvoltarea defectelor și fisurilor. În ceea ce privește post-procesarea, mai multe remedii, cum ar fi procesele de tratament termic sau presarea izostatică la cald (HIP) pot ajuta la îmbunătățirea integrității și performanței pieselor. Aceste considerații propuse trebuie investigate în studiile viitoare pentru a determina adecvarea exactă și impactul asupra calității ansamblului final.