از تولید سنتی کاهشی تا تولید افزودنی نوظهور، روشهای مختلف ساخت و فرآوری فلزات تأثیر قابلتوجهی بر ساختار مواد و خواص مکانیکی محصول نهایی دارند. تأثیر روش های تولید سنتی بر خواص مکانیکی فلزات به طور گسترده ای شناخته شده است، اما رابطه بین فرآیندهای تولید افزودنی و ویژگی های محصول بسیار پیچیده است و موضوع مهمی در زمینه تحقیقاتی است.
در میان بسیاری از مطالعات، تأثیر وقفه در فرآیند چاپ سه بعدی بر ریزساختار و خواص قطعات فلزی ساخته شده با مواد افزودنی یک موضوع مهم است. فرآیندهای تولید افزودنی متکی به چاپ مداوم مواد لایه به لایه، با الزامات ذوب و انجماد شدید است. هنگامی که فرآیند چاپ قطع می شود، ترمودینامیک که استحکام باند و ایجاد نقص در لایه را کنترل می کند، مختل می شود. انتظار می رود وقفه در فرآیندهای تولید افزودنی بر پیوند بین لایه ها تأثیر بگذارد و توسعه ریزساختار یکنواخت و خواص مکانیکی قطعات فلزی را به خطر بیندازد.
حتی بدون در نظر گرفتن وقفه های فرآیند، فضای روشنی برای بهبود در تولید افزودنی های فلزی از نظر دقت ابعادی و خواص مواد وجود دارد. در طی پرینت سه بعدی، سینتیک انجماد و پیوند بین لایهای، ساختار دانه و خواص مکانیکی قطعه را تعیین میکند که توسط گرادیانهای حرارتی، سرعت خنکسازی و چرخه حرارتی کنترل میشود. در حالی که کنترل فرآیند فیوژن برای پرینت سه بعدی دشوار است، این عوامل را می توان از طریق رسوب گذاری مداوم و بدون وقفه و کنترل حرارتی بهینه کرد.
با این حال، در طول تولید پرینت سه بعدی، ممکن است به دلیل نیاز احتمالی به تعبیه عناصر نظارتی (مانند حسگرها، محرکها و دستگاههای جمعآوری انرژی)، پر کردن مواد، تغییر برنامههای تولید و غیره، وقفه در فرآیند ایجاد شود. به دلیل قطع برق و خرابی دستگاه هنگامی که فرآیند چاپ قطع می شود، قسمت چاپ شده به تدریج سرد می شود و در نتیجه نقص ها و ریزساختارهای ناهمگن به دلیل وقفه در چرخه حرارتی و گرادیان های حرارتی نامنظم ظاهر می شود. در نتیجه، خواص مکانیکی محصول نهایی به خطر می افتد. عیوب احتمالی عبارتند از عدم همجوشی، فروپاشی سوراخ کلید، تخلخل، ترک خوردگی انجماد، ترک در حالت جامد، استحکام ضعیف پیوند بین لایه/سطح، جداسازی ناقص بایندر و غیره.
تاثیر وقفه های فرآیند بر عملکرد کلی قطعات پرینت سه بعدی
برای اکثر فرآیندهای پرینت سه بعدی فلزی، وقفه های فرآیند با رنگ قابل مشاهده در مفاصل ظاهر می شوند که به آنها "علامت های فرآیند" می گویند. در نواحی منقطع نمونه های مورد مطالعه، هم تغییر رنگ به دلیل اثرات حرارتی و هم نقص در قطعه وجود دارد. عیوب قابل مشاهده ممکن است در امتداد خطوط وقفه فرآیند باقی بمانند و انتظار می رود اثرات منفی بر خواص مکانیکی نمونه ها بگذارند. برای بررسی بیشتر نمونهها و نمونههای برششده، آزمایشهای NDT برای ارزیابی بیشتر تغییرات بالقوه در ساختار مواد و خواص مکانیکی قبل و بعد از وقفه فرآیند انجام شد.
محققان دانشگاه جردن وقفه های فرآیندی را در طول تولید افزودنی سیم قوسی بررسی کرده اند. آنها قطعات 130×17×150 میلیمتری را به عنوان هدف تحقیق انتخاب کردند و از Ti{3}}Al-4V برای چاپ استفاده کردند. پس از 8 ساعت و قالبگیری، ارتفاع به 120 میلیمتر رسید، چاپ قطع شد و پس از 6 ساعت طول کشید، فرآیند چاپ از سر گرفته شد. در این مدت قسمت قالب گیری شده تا دمای اتاق خنک می شود.
نمونه های چاپ شده توسط محققان را می توان برای تجزیه و تحلیل برش داد
تغییرات در تاریخچه حرارتی قطعه ممکن است بر شکل گیری ساختار دانه تاثیر گذاشته باشد. تفاوت اصلی بین ریزساختار در نواحی فرآیند تولید عادی و منقطع در اندازه دانه ها است. در حالی که اندازه دانههای نمونهها در شرایط عادی فرآیند تقریباً یکنواخت است، نمونههای منطقهای که فرآیند قطع شد اندازه دانههای غیریکنواختی داشتند. تفاوت بافت و اندازه دانه در نواحی فرآیند عادی و نواحی فرآیند منقطع یافته اصلی ارزیابی میکروسکوپی بود. علاوه بر این، به دلیل برهمکنش شرایط لایههای قبلی و برهمکنش فرآیند رسوبگذاری جدید، شرایط انجماد (مانند شکل حوضچه جوش و سرعت رشد)، گرادیانهای حرارتی و سرعت خنکسازی ممکن است تغییر کرده باشند و مکانیسم تولید نقص نیز تحت تأثیر قرار خواهد گرفت.
عیوب قابل مشاهده در خطوط وقفه فرآیند
آزمایش با طیفسنجی مافوق صوت رزونانس تغییرات مهمی را در یکپارچگی قطعه نشان داد. آزمایش خواص نانومکانیکی کاهش در مدول یانگ و مقادیر سختی را در مناطقی که فرآیند قطع شده بود نشان داد. توموگرافی کامپیوتری اشعه ایکس تعداد عیوب موجود در نواحی قطع شده را بیشتر و از نظر اندازه بزرگتر از سایر مناطق نشان داد. کاهش قابل توجه سیگنال و پراکندگی برگشتی در سیگنال اولتراسوند نشان داده شده است.
تصویر سی تی از ناحیه ای که فرآیند در آن قطع شده است
آزمایش خواص مواد به این نتیجه رسید که وقفه فرآیند تأثیر قابل توجهی بر مواد اولیه و خواص مکانیکی قطعه دارد. به نظر می رسد ساختار دانه، بافت و سطوح نقص نمونه های ساخته شده در ناحیه قطع شده یا پس از آن با نمونه هایی که هیچ گونه وقفه ای در فرآیند نداشته اند یا قبلا چاپ شده اند متفاوت است. به ویژه، استحکام و یکپارچگی قطعه در ناحیه قطع شده کمتر است. و اندازه و توزیع عیوب در ناحیه قطع شده بسیار بیشتر است.
وقفه های فرآیند، الهام بخش بازسازی و تعمیر چاپ سه بعدی است
از آنجایی که نشان داده شده است که اندازه و توزیع عیوب مانند ترک ها و تخلخل ها به طور قابل توجهی یکپارچگی ساختاری و خواص مواد قطعات ساخته شده با مواد افزودنی را تغییر می دهد، ناحیه اختلال می تواند یک منطقه بحرانی باشد که بر ایمنی ساختار کلی تأثیر می گذارد. این امر به ویژه در هنگام در نظر گرفتن نوعی اختلال در فرآیند، به ویژه فرآیند ساخت مجدد یا تعمیر با استفاده از ساخت افزودنی مهم است.
به همین دلیل، زمانی که این قطعات به عنوان اجزای حیاتی در کاربردهای هوافضا، پزشکی و حمل و نقل استفاده میشوند، فرآیند تضمین کیفیت این قطعات ممکن است در معرض آزمایشهای کیفی دقیقتر و آزمایشهای غیرمخرب باشد. شدت و توزیع نقص در مناطق قطع فرآیند را می توان با برخی از فرآیندهای قبل و بعد از فاب کاهش داد. پیش گرم کردن قطعه تا دمای تولید قبل از شروع مجدد فرآیند پس از وقفه، اثرات شوک حرارتی و تنش را کاهش می دهد و ایجاد نقص و ترک را کاهش می دهد. از نظر پس پردازش، چندین روش درمانی مانند فرآیندهای عملیات حرارتی یا پرس گرم ایزواستاتیک (HIP) ممکن است به بهبود یکپارچگی و عملکرد قطعه کمک کند. این ملاحظات پیشنهادی باید در مطالعات آتی مورد بررسی قرار گیرد تا مناسب بودن دقیق و تأثیر آن بر کیفیت مونتاژ نهایی مشخص شود.