Aditivní výroba kovů a potřeba spolehlivých údajů o termofyzikálních vlastnostech

V posledních letech se aditivní výroba (AM), známá také jako 3D tisk, stala slibnou technologií pro nákladově efektivní výrobu součástí s téměř čistým tvarem v automobilovém, elektronickém, biomedicínském, stavebním, leteckém a potravinářském průmyslu. V předchozích článcích jsme se zaměřili na stanovení procesního okna a studium izotermického krystalizačního chování prášků polyamidu (PA) 12 při použití v selektivním laserovém spékání.

Které materiály jsou vhodné pro SLM?

Proces SLM byl použit pro aditivní výrobu slitin včetně nerezové oceli, nástrojové oceli, titanu, hliníku, kobalt-chromu, wolframu a superslitin na bázi niklu. Některé slitiny mají omezenou použitelnost pro SLM kvůli své vysoké odrazivosti, a to v důsledku reaktivity na kyslík, absorpční schopnosti, smáčivosti a tepelných vlastností.

Keramika včetně oxidu hlinitého, oxidu zirkoničitého a karbidu křemíku byla aditivně vyráběna procesem SLM, avšak u SLM keramiky je obecně více problémů kvůli její křehkosti a relativně nízké tepelné vodivosti.

Optimalizace vstupních parametrů AM pro zlepšení kvality výrobků

Navzdory nedávným pokrokům v procesu SLM mohou problémy, jako je přehřátí nebo nedostatečné zahřátí a deformace, stále způsobovat problémy s kvalitou konečného výrobku. Je vyvíjeno úsilí o lepší pochopení rozložení teplot a tepelného zatížení během SLM, aby bylo možné optimalizovat parametry procesu a nakonec i kvalitu konečného dílu. Termo-mechanické simulace, jako je analýza konečných prvků (FEA), poskytly prostředky pro virtuální prototypování a nabývají na významu, protože výrobci optimalizují parametry procesu SLM a geometrie nosných konstrukcí pro různé materiály.

Tepelná vodivost ovlivňuje parametry procesu SLM

Reprezentativní termomechanická simulace SLM vyžaduje přesné údaje o tepelné vodivosti lože prášku a ztuhlého dílu v závislosti na teplotě. Přístroj NETZSCH LFA 467 HT HyperFlash je vhodný pro měření tepelné vodivosti výchozích prášků pro SLM i hotových dílů vytištěných SLM až do teploty 1250 °C. Korekci na hustotu závislou na teplotě (ρ) lze rutinně měřit pomocí NETZSCH DIL 402 Expedis^®Classic dilatometru a Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.měrná tepelná kapacita (_{Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.cp}) v oblasti vysokých teplot se měří pomocí NETZSCH DSC (např. 404 F1 Pegasus^®). Všechna měření by se měla provádět ve stejném teplotním rozsahu.

Příklad aplikace: Tepelná vodivost prášku z austenitické nerezové oceli

V níže uvedeném příkladu aplikace byla použita metoda bleskového měření (LFA) pro měření tepelné difuzivity austenitického prášku z nerezové oceli od pokojové teploty do 1000 °C.

Jak je vidět na obrázku 3, Tepelná difuzivitaTepelná difuzivita (a s jednotkou mm2/s) je specifická vlastnost materiálu, která charakterizuje nestacionární vedení tepla. Tato hodnota popisuje, jak rychle materiál reaguje na změnu teploty.tepelná difuzivita a Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.tepelná vodivost mají stejný trend. Vzhledem k různým stupňům spékání se obě výrazně zvyšují. Nárůst tepelné vodivosti je samozřejmě ovlivněn změnou tepelné difuzivity a nárůstem hustoty práškového lože nad 500 °C. S rostoucí tepelnou vodivostí v důsledku zhušťování práškového lože je třeba počítat při volbě vhodných vstupních parametrů SLM, aby byla zajištěna optimální kvalita výrobku. To je navíc jeden z důvodů, proč se výzkum zaměřuje na přizpůsobení parametrů po jednotlivých vrstvách nebo dokonce v určitých oblastech během sestavování.

Odkazy

1. Yap, C. Y., Chua, C. K., Dong, Z. L., Liu, Z. H., Zhang, D. Q., Loh, L. E., & Sing, S. L. (1. prosince 2015). Přehled selektivního laserového tavení: Materials and applications. Applied Physics Reviews, 2, 4, 41101. \
2. Chua, C. K., Wong, C. H., & Yeong, W. Y. (2017). Normy, kontrola kvality a vědy o měření v 3D tisku a aditivní výrobě.
3. Luo, C., Qiu, J., Yan, Y., Tang, X., Yang, J., & Uher, C. (2018). Analýza teplotních a napěťových polí pomocí konečných prvků během procesu selektivního laserového tavení termoelektrického SnTe. Journal of Materials Processing Technology, 261, 74-85.