Fra traditionel subtraktiv fremstilling til ny additiv fremstilling har forskellige metalfremstillings- og forarbejdningsmetoder en betydelig indflydelse på det endelige produkts materialestruktur og mekaniske egenskaber. Traditionelle fremstillingsmetoders indflydelse på metallers mekaniske egenskaber er blevet bredt anerkendt, men forholdet mellem additive fremstillingsprocesser og produktkarakteristika er ret komplekst og er et vigtigt emne i forskningsfeltet.
Blandt de mange undersøgelser er indvirkningen af afbrydelse af 3D-printprocessen på mikrostrukturen og egenskaberne af metaladditivt fremstillede dele et nicheemne. Additive fremstillingsprocesser er afhængige af kontinuerlig udskrivning af materiale lag for lag med strenge krav til smeltning og størkning. Når udskrivningsprocessen afbrydes, forstyrres termodynamikken, der styrer bindingsstyrken og defektgenereringen i laget. Afbrydelser i additive fremstillingsprocesser forventes at påvirke mellemlagsbindingen og kompromittere udviklingen af ensartet mikrostruktur og mekaniske egenskaber af metaldele.
Selv uden at overveje procesafbrydelser, er der klart plads til forbedringer i fremstillingen af metaladditiv med hensyn til dimensionel nøjagtighed og materialeegenskaber. Under 3D-printning bestemmer størkningskinetik og mellemlagsbinding delens kornstruktur og mekaniske egenskaber, som er styret af termiske gradienter, afkølingshastigheder og termiske cyklusser. Selvom fusionsprocessen til 3D-print er svær at kontrollere, kan disse faktorer optimeres gennem kontinuerlig og uafbrudt deponering og termisk kontrol.
Under 3D-printproduktion kan der dog forekomme procesafbrydelser på grund af det mulige behov for at indlejre overvågningselementer (såsom sensorer, aktuatorer og energihøstudstyr), genopfylde materialer, ændre produktionsplaner osv. Derudover kan procesafbrydelser også forekomme. på grund af strømafbrydelser og maskinfejl. Når udskrivningsprocessen afbrydes, afkøles den trykte del gradvist, hvilket resulterer i fremkomsten af defekter og inhomogene mikrostrukturer på grund af afbrydelser i termisk cykling og uregelmæssige termiske gradienter. Som følge heraf kompromitteres slutproduktets mekaniske egenskaber. Mulige defekter omfatter manglende sammensmeltning, nøglehulskollaps, porøsitet, størkningsrevner, solid-state revner, dårlig interlaminar/overfladebindingsstyrke, ufuldstændig bindemiddelafbinding osv.
Indvirkningen af procesafbrydelser på den overordnede ydeevne af 3D-printdele
For de fleste 3D-printprocesser af metal viser procesafbrydelser sig med synlig farve ved samlingerne, som kaldes "procesmærker". I de afbrudte områder af de undersøgte prøver er både farveændringer på grund af termiske effekter og defekter i delen til stede. Synlige defekter kan fortsætte langs procesafbrydelseslinjer og forventes at påvirke prøvernes mekaniske egenskaber negativt. For yderligere at undersøge prøverne og udskårne prøver blev NDT-eksperimenter udført for yderligere at evaluere potentielle ændringer i materialestruktur og mekaniske egenskaber før og efter procesafbrydelse.
Forskere fra University of Jordan har undersøgt procesafbrydelser under fremstilling af lysbuetrådsadditiv. De tog 130×17×150 mm dele som forskningsobjekt og brugte Ti-6Al-4V til udskrivning. Efter 8 timer og støbningen nåede højden 120 mm, trykningen blev afbrudt, og trykprocessen blev genoptaget efter at dødtiden varede i 6 timer. I løbet af denne tid afkøles den støbte del til stuetemperatur.
Prøver udskrevet af forskere kan skæres ud til analyse
Variationer i delens termiske historie kan have påvirket dannelsen af kornstrukturen. Hovedforskellen mellem mikrostrukturen i normale og afbrudte produktionsprocesregioner er størrelsen af kornene. Mens prøvernes kornstørrelse er ret ensartet under normale procesbetingelser, havde prøverne fra det område, hvor processen blev afbrudt, uensartede kornstørrelser. Tekstur- og kornstørrelsesforskelle i den normale proces og afbrudte procesområder var hovedresultaterne af den mikroskopiske evaluering. På grund af vekselvirkningen mellem betingelserne for de tidligere aflejrede lag og vekselvirkningen af den nye deponeringsproces kan størkningsbetingelserne (såsom svejsebassinets form og væksthastighed), termiske gradienter og afkølingshastigheder have ændret sig, og mekanismen for defektgenerering vil også blive påvirket.
Synlige defekter ved procesafbrydelseslinjer
Testning ved resonant ultralydsspektroskopi afslørede vigtige ændringer i dels integritet; test af nanomekaniske egenskaber fandt en reduktion i Youngs modul og hårdhedsværdier i områder, hvor processen blev afbrudt; Røntgencomputertomografi afslørede antallet af defekter indeholdt i de afbrudte områder mere og større i størrelse end de andre regioner; betydelig signaldæmpning og tilbagespredning er vist i ultralydssignalet.
CT-billede af det område, hvor processen blev afbrudt
Afprøvning af materialeegenskaber konkluderede, at procesafbrydelsen havde en væsentlig indflydelse på delens primære materiale og mekaniske egenskaber. Kornstrukturen, teksturen og defektniveauerne af prøver fremstillet ved eller efter det afbrudte område så ud til at være forskellige fra prøver, der ikke oplevede nogen procesafbrydelse eller tidligere blev udskrevet. Især styrken og integriteten af delen er lavere i det afbrudte område; og størrelsen og fordelingen af defekter i den afbrudte region er meget højere.
Procesafbrydelser inspirerer til genfremstilling og reparation af 3D-print
Da størrelsen og fordelingen af defekter såsom revner og porøsitet har vist sig at ændre den strukturelle integritet og materialeegenskaber af additivt fremstillede dele væsentligt, kan afbrydelsesområdet være et kritisk område, der påvirker sikkerheden af den samlede struktur. Dette er især vigtigt, når man overvejer en form for procesafbrydelse, især en genfremstillingsproces eller reparation ved hjælp af additiv fremstilling.
Af denne grund, når disse komponenter bruges som kritiske komponenter i rumfarts-, medicinske og transportapplikationer, kan kvalitetssikringsprocessen for disse komponenter være genstand for strengere kvalitetstest og ikke-destruktiv test. Sværhedsgrad og defektfordeling i procesafbrydelsesområder kan reduceres af nogle præ- og post-fabrikationsprocesser. Forvarmning af delen til fremstillingstemperatur før genstart af processen efter en afbrydelse reducerer virkningerne af termisk chok og stress og reducerer udviklingen af defekter og revner. Med hensyn til efterbehandling kan adskillige midler såsom varmebehandlingsprocesser eller varm isostatisk presning (HIP) hjælpe med at forbedre delens integritet og ydeevne. Disse foreslåede overvejelser skal undersøges i fremtidige undersøgelser for at bestemme den nøjagtige egnethed og indvirkning på kvaliteten af den endelige samling.