Адитивното производство на метали и необходимостта от надеждни данни за термофизичните свойства

През последните години адитивното производство (АП), известно още като 3D принтиране, се превърна в обещаваща технология за рентабилно производство на компоненти с почти чиста форма в автомобилната, електронната, биомедицинската, строителната, космическата и хранително-вкусовата промишленост. В предишни статии се фокусирахме върху определянето на прозореца на процеса и изследването на поведението на изотермична кристализация на прахове от полиамид (PA) 12, използвайки в селективно лазерно синтероване.

Кои материали са подходящи за SLM?

Процесът SLM е използван за адитивно производство на сплави, включително неръждаема стомана, инструментална стомана, титан, алуминий, кобалт-хром, волфрам и суперсплави на никелова основа. Някои сплави са с ограничена приложимост за SLM поради високата си отражателна способност, поради реактивността им към кислорода, абсорбцията, омокрянето и термичните свойства.

Керамиката, включително алуминиев оксид, цирконий и силициев карбид, е била произведена по метода на адитивното производство чрез SLM, но като цяло има повече предизвикателства при SLM на керамиката поради нейната крехка природа и относително ниска топлопроводимост.

Оптимизиране на входните параметри на AM за подобряване на качеството на продукта

Въпреки неотдавнашния напредък в процеса на SLM, проблеми като прегряване или недозагряване, както и деформации, все още могат да причинят проблеми с качеството на крайния продукт. Полагат се усилия за по-добро разбиране на температурните разпределения и топлинните натоварвания по време на SLM, за да могат да се оптимизират параметрите на процеса и в крайна сметка качеството на крайния детайл. Термомеханичните симулации, като например анализът на крайните елементи (FEA), осигуряват средства за виртуално създаване на прототипи и стават все по-важни, тъй като производителите оптимизират параметрите на SLM процеса и геометрията на носещата конструкция за различни материали.

Влияние на термичната проводимост върху параметрите на SLM процеса

За представителна термомеханична симулация на SLM са необходими точни, зависещи от температурата данни за топлопроводимостта на праховия слой и на втвърдената част. Моделът NETZSCH LFA 467 HT HyperFlash е подходящ за измерване на топлопроводимостта на праховете за SLM, както и на готовите SLM отпечатани части с температура до 1250°C. Корекцията за температурно зависимата плътност (ρ) може да се измерва рутинно с помощта на NETZSCH DIL 402 Expedis^® Classic дилатометър, а специфичният топлинен капацитет (_{Специфичен топлинен капацитет (cp)Топлинният капацитет е физична величина, специфична за материала, която се определя от количеството топлина, подадено на образеца, разделено на полученото увеличение на температурата. Специфичният топлинен капацитет се отнася за единица маса на образеца.cp}) във високотемпературния диапазон се измерва с помощта на NETZSCH DSC (напр. 404 F1 Pegasus^®). Всички измервания трябва да се извършват в един и същ температурен диапазон.

Пример за приложение: Топлопроводимост на прах от аустенитна неръждаема стомана

В примера за приложение по-долу методът на светкавицата (LFA) е използван за измерване на термичната дифузия на прах от аустенитна неръждаема стомана от стайна температура до 1000°C.

Както може да се види на фигура 3, термичната дифузия и топлопроводимостта следват същата тенденция. Поради различните етапи на синтероване и двете се увеличават значително. Разбира се, увеличението на топлопроводимостта се влияе от промяната в топлодифузията и увеличаването на плътността на праховия слой над 500°C. Увеличаването на топлопроводимостта от уплътняването на праховото легло трябва да се отчита при избора на подходящи входни параметри на SLM, за да се осигури оптимално качество на продукта. Освен това това е една от причините, поради които изследванията се съсредоточават върху адаптирането на параметрите слой по слой или дори в определени области по време на изграждането.

Препратки

1. Yap, C. Y., Chua, C. K., Dong, Z. L., Liu, Z. H., Zhang, D. Q., Loh, L. E., & Sing, S. L. (01.12.2015 г.). Преглед на селективното лазерно топене: Материали и приложения. Applied Physics Reviews, 2, 4, 41101. \
2. Chua, C. K., Wong, C. H., & Yeong, W. Y. (2017). Стандарти, контрол на качеството и науки за измерванията в 3D принтирането и адитивното производство.
3. Luo, C., Qiu, J., Yan, Y., Tang, X., Yang, J., & Uher, C. (2018). Анализ по метода на крайните елементи на полетата на температурата и напреженията по време на процеса на селективно лазерно топене на термоелектрически SnTe. Journal of Materials Processing Technology, 261, 74-85.