La produzione additiva di metalli e la necessità di dati affidabili sulle proprietà termofisiche

Negli ultimi anni, la fabbricazione additiva (AM), nota anche come stampa 3D, è emersa come una tecnologia promettente per la produzione di componenti di forma quasi netta a costi contenuti nei settori automobilistico, elettronico, biomedico, edile, aerospaziale e alimentare. Negli articoli precedenti, ci siamo concentrati sulla determinazione della finestra di processo e sullo studio del comportamento di cristallizzazione isotermica delle polveri di poliammide (PA) 12 utilizzando la SinterizzazioneLa sinterizzazione è un processo di produzione per la formazione di un corpo meccanicamente resistente a partire da una polvere ceramica o metallica. sinterizzazione laser in Select.

Quali materiali sono adatti alla SLM?

Il processo SLM è stato utilizzato per la produzione additiva di leghe, tra cui acciaio inossidabile, acciaio per utensili, titan, alluminio, cobalto-cromo, tungsteno e superleghe a base di nichel. Alcune leghe hanno un'applicabilità limitata alla SLM a causa della loro elevata riflettività, dovuta alla reattività all'ossigeno, all'assorbenza, alla bagnabilità e alle proprietà termiche.

Le ceramiche, tra cui l'allumina, l'ossido di zirconio e il carburo di silicio, sono state prodotte in modo additivo con il processo SLM, ma in generale le sfide da affrontare con la SLM delle ceramiche sono maggiori a causa della loro natura fragile e della conducibilità termica relativamente bassa.

Ottimizzazione dei parametri di input AM per migliorare la qualità del prodotto

Nonostante i recenti progressi nel processo SLM, problemi come il surriscaldamento o il surriscaldamento insufficiente e la deformazione possono ancora causare problemi alla qualità del prodotto finale. Sono in corso sforzi per comprendere meglio le distribuzioni di temperatura e i carichi termici durante il processo SLM, in modo da ottimizzare i parametri di processo e, in ultima analisi, la qualità del pezzo finale. Le simulazioni termomeccaniche, come l'analisi a elementi finiti (FEA), hanno fornito un mezzo per la prototipazione virtuale e sono diventate sempre più importanti quando i produttori ottimizzano i parametri del processo SLM e le geometrie della struttura di supporto per diversi materiali.

La conducibilità termica influenza i parametri del processo SLM

Una simulazione termomeccanica SLM rappresentativa richiede dati accurati sulla conducibilità termica del letto di polvere e del pezzo solidificato, in funzione della temperatura. Il sistema NETZSCH LFA 467 HT HyperFlash è adatto a misurare la conducibilità termica delle polveri SLM e dei pezzi stampati SLM finiti fino a 1250°C. La correzione della densità in funzione della temperatura (ρ) può essere misurata di routine con un dilatometro NETZSCH DIL 402 Expedis Classic e laCapacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica (_{Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione.cp}) nell'intervallo di temperatura elevato viene misurata con un DSC NETZSCH (ad esempio, 404 F1 Pegasus^®). Tutte le misure devono essere eseguite nello stesso intervallo di temperatura.

Esempio di applicazione: Conducibilità termica della polvere di acciaio inossidabile austenitico

Nell'esempio applicativo riportato di seguito, il metodo flash (LFA) è stato utilizzato per misurare la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica della polvere di acciaio inossidabile austenitico da temperatura ambiente a 1000°C.

Come si può vedere nella Figura 3, la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica e la Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica seguono lo stesso andamento. A causa delle diverse fasi di SinterizzazioneLa sinterizzazione è un processo di produzione per la formazione di un corpo meccanicamente resistente a partire da una polvere ceramica o metallica. sinterizzazione, entrambe aumentano in modo significativo. Naturalmente, l'aumento della conducibilità termica è influenzato dalla variazione della Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica e dall'aumento della densità del letto di polvere al di sopra dei 500°C. selectL'aumento della Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica derivante dalla densificazione del letto di polvere deve essere tenuto in considerazione quando si individuano i parametri di input SLM adatti per garantire una qualità ottimale del prodotto. Inoltre, questo è uno dei motivi per cui la ricercaarch si è concentrata sull'adattamento dei parametri strato per strato o addirittura in regioni specifiche durante la costruzione.

Riferimenti

1. Yap, C. Y., Chua, C. K., Dong, Z. L., Liu, Z. H., Zhang, D. Q., Loh, L. E., & Sing, S. L. (01 dicembre 2015). Revisione di selective laser melting: Materiali e applicazioni. Applied Physics Reviews, 2, 4, 41101. \
2. Chua, C. K., Wong, C. H., & Yeong, W. Y. (2017). Standard, controllo di qualità e scienze della misurazione nella stampa 3D e nella produzione additiva.
3. Luo, C., Qiu, J., Yan, Y., Tang, X., Yang, J., & Uher, C. (2018). Analisi agli elementi finiti della temperatura e dei campi di Lo stressLa sollecitazione è definita come un livello di forza applicato su un campione con una sezione trasversale ben definita. (Sollecitazione = forza/area). I campioni con sezione trasversale circolare o rettangolare possono essere compressi o allungati. I materiali elastici come la gomma possono essere allungati fino a 5-10 volte la loro lunghezza originale.stress durante il processo diTemperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione laser selective di SnTe termoelettrico. Journal of Materials Processing Technology, 261, 74-85.