Come testare la resistenza degli stampi per stampa 3D in metallo?

一, Il metodo principale per le prove di resistenza
I test di resistenza degli stampi per stampa 3D in metallo devono comprendere tre dimensioni: attributi dei materiali, microstruttura e controllo dei difetti, creando un ciclo di test multi-livello e multi-dimensionale.
1. Testare le prestazioni meccaniche: Indice di resistenza quantitativa
Prova di trazione: utilizzare un'apparecchiatura di prova universale per applicare un carico di trazione assiale sul materiale dello stampo. Questo ti dirà la sua resistenza alla trazione (UTS), la resistenza allo snervamento (YS) e l'allungamento a rottura (EL). Ad esempio, gli stampi in lega di titanio devono soddisfare lo standard ASTM E8 e il loro UTS deve essere compreso tra 800 e 1000 MPa, mentre il loro YS deve essere almeno 700 MPa.
Test di compressione: verifica la stabilità dello stampo quando viene compresso. Questo test è particolarmente utile per supportare strutture o componenti con pareti spesse. Ad esempio, lo standard GB/T 7314 deve essere utilizzato per controllare la resistenza alla compressione degli stampi in lega di alluminio per assicurarsi che non si pieghino quando vengono formati ad alta pressione.
Il test di flessione a tre-o quattro-punti viene eseguito per vedere quanto è rigido lo stampo mentre si piega e quanto è forte il legame tra gli strati. Testare la resistenza alla flessione degli stampi in acciaio inossidabile secondo la norma ISO 14125 è un modo per evitare che il distacco dello strato intermedio causi guasti.
Test di impatto: utilizza una macchina per prove di impatto a pendolo per simulare i carichi dinamici e scoprire quanto è resistente lo stampo (ad esempio, l'energia di impatto dell'intaglio a V Charpy). Ad esempio, lo stampo per le pale dei motori aeronautici deve soddisfare lo standard ASTM E23 per garantire che non si rompa facilmente se utilizzato in situazioni difficili.
Prova di fatica: utilizza una macchina per prove di fatica ad alta-frequenza per simulare i carichi ciclici e determinare quanto durerà lo stampo prima che si stanchi. Gli stampi automobilistici, ad esempio, devono soddisfare lo standard ISO 12107 e avere un limite di fatica di almeno 300 MPa per gestire le sollecitazioni dello stampaggio ad alta-pressione a lungo termine.
2. Analisi della microstruttura: scoprire cosa rende possibile la forza
Utilizzare un microscopio metallografico (OM) per osservare la dimensione dei grani dello stampo, la composizione della fase e l'interfaccia interstrato. Ad esempio, gli stampi realizzati con SLM (Selective Laser Melting) hanno spesso microscopici grani equiassici, che li rendono più resistenti di oltre il 30% rispetto alle fusioni standard.
Microscopio elettronico a scansione (SEM): osserva come iniziano e si diffondono le crepe e cerca difetti come la mancanza di fusione e la porosità. Ad esempio, il SEM deve controllare gli stampi EBM (fusione a fascio di elettroni) per assicurarsi che non siano troppo porosi (inferiori o uguali allo 0,5%) e per evitare la concentrazione dello stress.
Diffrazione di retrodiffusione degli elettroni (EBSD): misura la differenza nell'orientamento dei cristalli (valore KAM) e verifica quanto bene il materiale può deformarsi localmente. Ad esempio, i luoghi con valori KAM elevati potrebbero sviluppare crepe ed è necessario un trattamento termico per migliorare l’orientamento dei grani.
3. Trovare i difetti: eliminare i rischi nascosti dei punti di forza
Scansione TC per l'industria: test per difetti interni negli stampi che non li danneggiano, come pori, fessure e punti in cui lo stampo non si è completamente fuso. Ad esempio, gli stampi per l'aviazione devono soddisfare lo standard ISO 17637 per garantire che i difetti non siano più grandi di 0,1 mm e che le crepe da fatica non si diffondano.
Il test a ultrasuoni (UT) rileva i difetti più profondi e funziona meglio su stampi con pareti spesse. Ad esempio, gli stampi dei pannelli delle automobili devono soddisfare lo standard ASTM E233 per individuare difetti interni profondi almeno 50 mm.
Spettroscopia di fluorescenza a raggi X (XRF): controlla rapidamente la composizione chimica dello stampo per assicurarti che il contenuto dell'elemento sia quello che dovrebbe essere. Gli stampi in leghe a base di nichel-, ad esempio, devono soddisfare lo standard ISO 3497 per mantenere gli intervalli di componenti critici come Cr e Mo al di sotto dello 0,5%.
2, Sistema di standard di prova sia per uso internazionale che domestico
Gli stampi per stampa 3D in metallo devono essere testati per verificarne la resistenza secondo rigorosi standard nazionali e internazionali per garantire che i dati possano essere confrontati e che le regole vengano seguite.
1. Standard provenienti da tutto il mondo
ISO/ASTM 52900: stabilisce definizioni e classificazioni per la terminologia della stampa 3D, offrendo una base fondamentale per i test di resistenza.
ISO 23499: stabilisce gli standard per l'accuratezza dimensionale e la qualità della superficie degli articoli metallici stampati in 3D. Ciò ha un effetto indiretto sui test di resistenza.
ASTM E8/E23/E466: questi sono gli standard principali per le prove di resistenza dello stampo. Ti dicono come eseguire prove di trazione, impatto e fatica.
2. Norme per la casa
GB/T 39251: Chiarire le regole per la preparazione e l'utilizzo di campioni per test di trazione, compressione, flessione e altri test sulle proprietà meccaniche dei materiali metallici stampati in 3D.
GB/T 39651: definisce le fasi per l'ispezione e la valutazione delle parti di produzione additiva in metallo, compreso come classificare i difetti e stabilire criteri di accettazione.
QB/T 5696: questo standard parla della qualità dei materiali di stampa 3D in metallo e stabilisce requisiti particolari per aspetti come la dimensione e la scorrevolezza delle particelle di polvere, che influiscono sulla resistenza dello stampo in modo indiretto.
3, Importanti problemi tecnici e come risolverli
Per rendere più resistenti gli stampi per la stampa 3D in metallo, dobbiamo trovare modi per affrontare problemi come l’anisotropia, lo stress residuo e la qualità della superficie. Ciò può essere fatto attraverso nuove tecnologie e processi migliori.
1. Controllo dell'anisotropia
La resistenza degli stampi stampati in 3D cambia in base all'orientamento di stampa (longitudinale, trasversale, obliquo). Ad esempio, la resistenza longitudinale degli stampi generati da SLM potrebbe essere superiore del 20% rispetto alla resistenza trasversale.
Soluzione: migliorare il modo in cui si esegue la scansione: utilizzare un percorso di scansione a scacchiera o a spirale per rendere meno evidenti le modifiche dello stress termico tra gli strati.
Rafforzamento post-lavorazione: la pressatura isostatica a caldo (HIP) rimuove i pori, aumentando la densità dello stampo a oltre il 99,9%.
Test multi-direzionale: i campioni vengono prelevati in tre direzioni diverse-longitudinale, trasversale e obliqua-per assicurarsi che la resistenza minima sia conforme agli standard di progettazione.
2. Gestione dello stress residuo Problema: quando la stampa 3D si raffredda troppo rapidamente, può accumularsi stress residuo, che può causare la piegatura o la frantumazione dello stampo.
Soluzione: ricottura antistress: mantenerlo a 500-600 gradi per 2-4 ore per eliminare lo stress interno.
La pallinatura laser utilizza raggi laser ad alta-energia per modificare la forma della superficie, aggiungere stress residuo di compressione e far sopravvivere il materiale più a lungo.
Monitoraggio online: utilizzo-di sensori in fibra ottica integrati per tenere d'occhio la distribuzione dello stress in tempo reale e modificare le impostazioni di stampa secondo necessità.
3. Migliore qualità della superficie Problema: la ruvidità superficiale (Ra) degli stampi stampati in 3D è solitamente di 10–20 μm, il che li rende facili da frantumare.
Risposta:
Lucidatura meccanica: una lucidatrice CNC può abbassare il Ra a meno di 0,8 μm, rendendo la superficie più resistente.
Lucidatura chimica: utilizzo del lavaggio acido o della lucidatura elettrolitica per eliminare piccoli difetti superficiali e rendere la superficie più resistente alla corrosione.
Pallinatura: questo processo aggiunge uno strato di stress compressivo residuo alla superficie colpendola con proiettili ad alta-velocità. Questo lo rende più resistente alla fatica.
4, Caso di studio e pratica industriale
Caso 1: Stampo per la pala di un motore aeronautico
Il materiale è la lega ad alta temperatura-a base di nichel-(Inconel 718).
Obiettivo del test:
Resistenza alle alte temperature: lo standard GB/T 4338 afferma che la resistenza alla trazione deve essere testata a 650 gradi per assicurarsi che sia almeno 800 MPa.
Prestazioni di fatica termica: utilizza la norma ISO 12111 per testare la velocità di propagazione della frattura durante i cicli di avvio-di arresto del motore.
Microstruttura: utilizzare EBSD per osservare la distribuzione della fase e assicurarsi che la dimensione della fase di rinforzo sia inferiore o uguale a 50 nm. Ciò renderà il materiale più stabile alle alte temperature.
Lo stampo dura tre volte di più rispetto alle fusioni standard, ovvero quanto è necessario affinché i motori degli aerei funzionino per 100.000 ore.
Caso 2: Stampo per copertura automobilistica
Materiale: Acciaio ad alta resistenza (H13)
Cosa testare:
Resistenza all'usura: lo standard ASTM G65 testa la quantità di usura per assicurarsi che sia inferiore o uguale a 0,1 g/1000 rotazioni.
Resistenza agli urti: L'energia d'impatto Charpy deve essere di almeno 30 J, secondo la norma ISO 148.
Precisione dimensionale: utilizzare il test CMM per assicurarsi che l'imprecisione della superficie dello stampo sia inferiore o uguale a 0,05 mm.
Lo stampo dura 500.000 cicli di stampaggio, ovvero il 50% in più rispetto ad altri stampi.