Jak przetestować wytrzymałość metalowych form do druku 3D?

一, Główna metoda badania wytrzymałości
Testowanie wytrzymałości metalowych form do drukowania 3D musi obejmować trzy wymiary: atrybuty materiału, mikrostrukturę i kontrolę defektów, tworząc wielo-poziomową i wielo-wymiarową pętlę testową.
1. Badanie właściwości mechanicznych: Wskaźnik wytrzymałości ilościowej
Próba rozciągania: Użyj uniwersalnego sprzętu badawczego, aby umieścić osiowe obciążenie rozciągające na materiale formy. Dzięki temu dowiesz się o jego wytrzymałości na rozciąganie (UTS), granicy plastyczności (YS) i wydłużeniu przy zerwaniu (EL). Na przykład formy ze stopu tytanu muszą spełniać normę ASTM E8, a ich UTS musi wynosić od 800 do 1000 MPa, a ich YS musi wynosić co najmniej 700 MPa.
Test ściskania: Sprawdź, jak stabilna jest forma po ściśnięciu. Test ten jest szczególnie przydatny w przypadku konstrukcji wsporczych lub elementów o grubych ścianach. Na przykład normę GB/T 7314 należy zastosować do sprawdzenia wytrzymałości na ściskanie form ze stopu aluminium, aby upewnić się, że nie zginają się podczas formowania pod wysokim ciśnieniem.
Test zginania w trzech-lub czterech{1}}punktach przeprowadza się w celu sprawdzenia, jak sztywna jest forma podczas zginania i jak mocne jest połączenie między warstwami. Badanie wytrzymałości na zginanie form ze stali nierdzewnej zgodnie z normą ISO 14125 jest jednym ze sposobów zapobiegania uszkodzeniom międzywarstwowym.
Test udarności: użyj wahadłowej maszyny do badania udarności, aby naśladować obciążenia dynamiczne i dowiedzieć się, jak odporna jest forma (na przykład energia uderzenia Charpy V-karbu). Na przykład forma łopatek silników lotniczych musi spełniać normę ASTM E23, aby mieć pewność, że nie pęknie łatwo w trudnych sytuacjach.
Test zmęczeniowy: użyj maszyny do testowania zmęczenia-o wysokiej częstotliwości, aby symulować obciążenia cykliczne i dowiedzieć się, jak długo forma wytrzyma, zanim ulegnie zmęczeniu. Na przykład formy samochodowe muszą spełniać normę ISO 12107 i mieć granicę zmęczenia wynoszącą co najmniej 300 MPa, aby wytrzymać naprężenia związane z długotrwałym-tłoczeniem-wysokociśnieniowym.
2. Analiza mikrostruktury: dowiedzenie się, co umożliwia wytrzymałość
Użyj mikroskopu metalograficznego (OM), aby przyjrzeć się wielkości ziaren formy, składowi fazowemu i granicy międzywarstwowej. Na przykład formy wykonane metodą SLM (Selective Laser Melting) często mają mikroskopijne ziarna równoosiowe, co czyni je o ponad 30% mocniejszymi niż standardowe odlewy.
Skaningowy mikroskop elektronowy (SEM): Przyjrzyj się, jak powstają i rozprzestrzeniają się pęknięcia, i poszukaj wad, takich jak brak stopienia i porowatość. Na przykład SEM musi sprawdzić formy EBM (topienie wiązką elektronów), aby upewnić się, że nie są zbyt porowate (mniejsze lub równe 0,5%) i aby uniknąć koncentracji naprężeń.
Dyfrakcja rozproszenia wstecznego elektronów (EBSD): Zmierz różnicę w orientacji kryształów (wartość KAM) i sprawdź, jak dobrze materiał może lokalnie odkształcać się. Na przykład w miejscach o wysokich wartościach KAM istnieje prawdopodobieństwo wystąpienia pęknięć i konieczna jest obróbka cieplna w celu poprawy orientacji ziaren.
3. Znajdź defekty: pozbądź się ukrytych zagrożeń wytrzymałościowych
Tomografia komputerowa dla przemysłu: testowanie wewnętrznych wad form, które ich nie uszkadzają, takich jak pory, pęknięcia i miejsca, w których pleśń nie jest w pełni stopiona. Na przykład formy lotnicze muszą spełniać normę ISO 17637, aby mieć pewność, że defekty nie będą większe niż 0,1 mm i że pęknięcia zmęczeniowe nie będą się rozprzestrzeniać.
Testy ultradźwiękowe (UT) znajdują wady głęboko w środku i działają najlepiej w przypadku form o grubych ściankach. Na przykład formy do paneli samochodowych muszą spełniać normę ASTM E233, aby wykryć wady wewnętrzne o głębokości co najmniej 50 mm.
Rentgenowska spektroskopia fluorescencyjna (XRF): szybko sprawdź skład chemiczny formy, aby upewnić się, że zawartość pierwiastków jest taka, jaka powinna. Na przykład formy ze stopów-niklu muszą spełniać normę ISO 3497, aby utrzymać zawartość kluczowych składników, takich jak Cr i Mo, na poziomie poniżej 0,5%.
2, System standardów testowania do użytku międzynarodowego i krajowego
Metalowe formy do druku 3D muszą zostać przetestowane pod kątem wytrzymałości zgodnie ze ścisłymi normami międzynarodowymi i krajowymi, aby upewnić się, że dane można porównać i że przestrzegane są zasady.
1. Standardy z całego świata
ISO/ASTM 52900: Ustala definicje i klasyfikacje terminologii związanej z drukiem 3D, oferując podstawową podstawę do testowania wytrzymałości.
ISO 23499: ustanawia standardy dokładności wymiarowej i jakości powierzchni metalowych elementów drukowanych 3D. Ma to pośredni wpływ na badania wytrzymałościowe.
ASTM E8/E23/E466: Są to główne normy dotyczące badania wytrzymałości formy. Mówią, jak przeprowadzić testy rozciągania, udarności i zmęczenia.
2. Standardy dla domu
GB/T 39251: Wyjaśnij zasady przygotowywania i stosowania próbek do badań rozciągania, ściskania, zginania i innych właściwości mechanicznych materiałów metalowych drukowanych w 3D.
GB/T 39651: określa etapy kontroli i oceny części wytwarzanych metodą przyrostową z metalu, w tym klasyfikację defektów i ustalanie kryteriów akceptacji.
QB/T 5696: Norma ta mówi o jakości metalowych materiałów do drukowania 3D i określa szczególne wymagania dotyczące takich rzeczy, jak wielkość i sypkość cząstek proszku, które w sposób pośredni wpływają na wytrzymałość formy.
3, Ważne problemy techniczne i sposoby ich rozwiązywania
Aby wzmocnić metalowe formy do drukowania 3D, musimy znaleźć sposoby radzenia sobie z problemami takimi jak anizotropia, naprężenia szczątkowe i jakość powierzchni. Można tego dokonać dzięki nowej technologii i lepszym procesom.
1. Kontrolowanie anizotropii
Wytrzymałość form drukowanych 3D zmienia się w zależności od orientacji druku (wzdłużna, poprzeczna, ukośna). Na przykład wytrzymałość wzdłużna form generowanych przez SLM może być o 20% wyższa niż wytrzymałość poprzeczna.
Rozwiązanie: Ulepsz sposób skanowania: użyj ścieżki skanowania w kształcie szachownicy lub spirali, aby zmiany naprężenia termicznego pomiędzy warstwami były mniej zauważalne.
Wzmocnienie-po obróbce: prasowanie izostatyczne na gorąco (HIP) usuwa pory, zwiększając gęstość formy do ponad 99,9%.
Testy wielo-kierunkowe: próbki są pobierane w trzech różnych kierunkach-wzdłużnym, poprzecznym i ukośnym-, aby upewnić się, że minimalna wytrzymałość odpowiada standardom projektowym.
2. Zarządzanie naprężeniami szczątkowymi Problem: Kiedy druk 3D stygnie zbyt szybko, może wytworzyć się naprężenie szczątkowe, które może spowodować wygięcie lub pęknięcie formy.
Rozwiązanie: Wyżarzanie odprężające: Utrzymuj temperaturę 500-600 stopni przez 2 do 4 godzin, aby pozbyć się naprężeń wewnętrznych.
Laserowe śrutowanie udarowe wykorzystuje-wiązki lasera o wysokiej energii do zmiany kształtu powierzchni, zwiększenia naprężenia szczątkowego ściskającego i zwiększenia trwałości materiału.
Monitorowanie online: korzystanie z wbudowanych-czujników światłowodowych w celu monitorowania rozkładu naprężeń w czasie rzeczywistym i zmiany ustawień drukowania w razie potrzeby.
3. Lepsza jakość powierzchni Problem: Chropowatość powierzchni (Ra) form drukowanych w 3D wynosi zwykle 10–20 μm, co ułatwia ich rozbicie.
Odpowiedź:
Polerowanie mechaniczne: Polerka CNC może obniżyć Ra do mniej niż 0,8 μm, co wzmacnia powierzchnię.
Polerowanie chemiczne: zastosowanie mycia kwasem lub polerowania elektrolitycznego w celu usunięcia drobnych wad powierzchni i zwiększenia odporności na korozję.
Śrutowanie: proces ten powoduje nałożenie na powierzchnię warstwy szczątkowego naprężenia ściskającego poprzez uderzenie w nią pociskami-z dużą prędkością. Dzięki temu jest bardziej odporny na zmęczenie.
4, Studium przypadku i praktyka branżowa
Przypadek 1: Forma łopatki silnika lotniczego
Materiałem jest stop wysokotemperaturowy-na bazie niklu-(Inconel 718).
Cel testu:
Wytrzymałość w wysokiej temperaturze: Norma GB/T 4338 mówi, że wytrzymałość na rozciąganie należy badać w temperaturze 650 stopni, aby upewnić się, że wynosi ona co najmniej 800 MPa.
Odporność na zmęczenie cieplne: użyj normy ISO 12111, aby przetestować szybkość propagacji pęknięć podczas cykli uruchamiania-zatrzymywania silnika.
Mikrostruktura: Użyj EBSD, aby przyjrzeć się rozkładowi fazy i upewnić się, że wielkość fazy wzmacniającej jest mniejsza lub równa 50 nm. Dzięki temu materiał będzie bardziej stabilny w wysokich temperaturach.
Forma wytrzymuje trzy razy dłużej niż standardowe odlewy, czyli tyle, ile potrzeba, aby silniki lotnicze mogły pracować przez 100 000 godzin.
Przypadek 2: Forma do pokrowca samochodowego
Materiał: Stal o dużej wytrzymałości (H13)
Co testować:
Odporność na zużycie: Norma ASTM G65 sprawdza stopień zużycia, aby upewnić się, że jest mniejszy lub równy 0,1 g/1000 obrotów.
Odporność na uderzenia: Energia uderzenia Charpy’ego musi wynosić co najmniej 30 J, zgodnie z normą ISO 148.
Dokładność wymiarowa: Użyj testów CMM, aby upewnić się, że niedokładność powierzchni formy jest mniejsza lub równa 0,05 mm.
Forma wytrzymuje 500 000 cykli tłoczenia, czyli o 50% dłużej niż inne formy.