Từ sản xuất trừ truyền thống đến sản xuất phụ gia mới nổi, các phương pháp chế tạo và gia công kim loại khác nhau có tác động đáng kể đến cấu trúc vật liệu và tính chất cơ học của sản phẩm cuối cùng. Ảnh hưởng của các phương pháp sản xuất truyền thống đến các tính chất cơ học của kim loại đã được thừa nhận rộng rãi, nhưng mối quan hệ giữa quá trình sản xuất phụ gia và đặc tính của sản phẩm là khá phức tạp và là một chủ đề quan trọng trong lĩnh vực nghiên cứu.
Trong số nhiều nghiên cứu, tác động của việc gián đoạn quá trình in 3D đối với cấu trúc vi mô và tính chất của các bộ phận được sản xuất thêm bằng kim loại là một chủ đề thích hợp. Quy trình sản xuất phụ gia dựa vào việc in liên tục từng lớp vật liệu, với các yêu cầu nghiêm ngặt về độ nóng chảy và hóa rắn. Khi quá trình in bị gián đoạn, nhiệt động lực học kiểm soát độ bền của liên kết và sự tạo ra khuyết tật trong lớp sẽ bị xáo trộn. Sự gián đoạn trong quá trình sản xuất phụ gia được cho là sẽ ảnh hưởng đến liên kết giữa các lớp, ảnh hưởng đến sự phát triển của cấu trúc vi mô đồng nhất và các tính chất cơ học của các bộ phận kim loại.
Ngay cả khi không tính đến sự gián đoạn của quy trình, vẫn có khả năng cải tiến rõ ràng trong sản xuất phụ gia kim loại về độ chính xác kích thước và tính chất vật liệu. Trong quá trình in 3D, động học hóa rắn và liên kết giữa các lớp xác định cấu trúc hạt và tính chất cơ học của bộ phận, được điều chỉnh bởi gradient nhiệt, tốc độ làm mát và chu kỳ nhiệt. Trong khi quá trình hợp nhất cho in 3D khó kiểm soát, những yếu tố này có thể được tối ưu hóa thông qua kiểm soát nhiệt và lắng đọng liên tục và không bị gián đoạn.
Tuy nhiên, trong quá trình sản xuất in 3D, quá trình gián đoạn có thể xảy ra do nhu cầu có thể nhúng các phần tử giám sát (như cảm biến, thiết bị truyền động và thiết bị thu năng lượng), bổ sung nguyên liệu, thay đổi lịch trình sản xuất, v.v. Ngoài ra, gián đoạn quy trình cũng có thể xảy ra do mất điện, hỏng máy. Khi quá trình in bị gián đoạn, phần được in sẽ dần dần nguội đi, dẫn đến sự xuất hiện của các khuyết tật và các vi cấu trúc không đồng nhất do chu trình nhiệt bị gián đoạn và chuyển sắc nhiệt không đều. Do đó, các đặc tính cơ học của sản phẩm cuối cùng bị ảnh hưởng. Các khuyết tật có thể xảy ra bao gồm thiếu hợp nhất, xẹp lỗ khóa, lỗ rỗng, nứt đông đặc, nứt ở trạng thái rắn, độ bền liên kết giữa các lớp / bề mặt kém, liên kết chất kết dính không hoàn chỉnh, v.v.
Tác động của gián đoạn quy trình đến hiệu suất tổng thể của các bộ phận in 3D
Đối với hầu hết các quy trình in 3D kim loại, sự gián đoạn của quy trình hiển thị với màu có thể nhìn thấy tại các khớp, được gọi là "dấu quá trình". Trong các khu vực bị gián đoạn của các mẫu nghiên cứu, cả sự thay đổi màu sắc do tác động nhiệt và các khuyết tật trong bộ phận đều có mặt. Các khuyết tật có thể nhìn thấy có thể tồn tại dọc theo các đường gián đoạn của quá trình và dự kiến sẽ ảnh hưởng tiêu cực đến các đặc tính cơ học của mẫu. Để kiểm tra thêm các mẫu và các mẫu cắt lát, các thí nghiệm NDT đã được thực hiện để đánh giá thêm những thay đổi tiềm ẩn trong cấu trúc vật liệu và tính chất cơ học trước và sau khi quá trình gián đoạn.
Các nhà nghiên cứu từ Đại học Jordan đã điều tra sự gián đoạn quy trình trong quá trình sản xuất phụ gia dây hồ quang. Họ lấy các bộ phận 130 × 17 × 150mm làm đối tượng nghiên cứu và sử dụng Ti -6 Al -4 V để in. Sau 8 giờ và quá trình đúc, chiều cao đạt 120mm, việc in bị gián đoạn, và quá trình in được tiếp tục sau thời gian chết kéo dài trong 6 giờ. Trong thời gian này, phần đúc nguội đến nhiệt độ phòng.
Các mẫu do các nhà nghiên cứu in ra có thể được cắt ra để phân tích
Những thay đổi trong lịch sử nhiệt của bộ phận có thể ảnh hưởng đến sự hình thành cấu trúc hạt. Sự khác biệt chính giữa cấu trúc vi mô trong khu vực quy trình sản xuất bình thường và gián đoạn là kích thước của hạt. Trong khi kích thước hạt của các mẫu tương đối đồng đều trong điều kiện quy trình bình thường, các mẫu từ khu vực nơi quy trình bị gián đoạn có kích thước hạt không đồng đều. Sự khác biệt về kết cấu và kích thước hạt trong quy trình bình thường và các vùng quy trình bị gián đoạn là những phát hiện chính của việc đánh giá bằng kính hiển vi. Ngoài ra, do sự tương tác của các điều kiện của các lớp lắng đọng trước đó và sự tương tác của quá trình lắng đọng mới, các điều kiện đông đặc (chẳng hạn như hình dạng vũng hàn và tốc độ tăng trưởng), độ dốc nhiệt và tốc độ làm mát có thể đã thay đổi, và cơ chế phát sinh khuyết tật cũng sẽ bị ảnh hưởng.
Các khuyết tật có thể nhìn thấy ở các dây chuyền gián đoạn quy trình
Kiểm tra bằng quang phổ siêu âm cộng hưởng cho thấy những thay đổi quan trọng trong tính toàn vẹn của một phần; thử nghiệm các đặc tính cơ nano cho thấy sự giảm giá trị mô đun và độ cứng của Young ở những khu vực mà quá trình bị gián đoạn; Chụp cắt lớp vi tính bằng tia X cho thấy số lượng khuyết tật ở các vùng bị gián đoạn nhiều hơn và có kích thước lớn hơn các vùng khác; tín hiệu suy giảm đáng kể và tán xạ ngược được thể hiện trong tín hiệu siêu âm.
Hình ảnh CT của khu vực nơi quá trình bị gián đoạn
Thử nghiệm các đặc tính của vật liệu kết luận rằng quá trình gián đoạn có ảnh hưởng đáng kể đến vật liệu chính và các đặc tính cơ học của bộ phận. Cấu trúc hạt, kết cấu và mức độ khuyết tật của các mẫu được chế tạo tại hoặc sau khu vực bị gián đoạn dường như khác với các mẫu không bị gián đoạn quy trình hoặc đã được in trước đó. Đặc biệt, cường độ và tính toàn vẹn của phần thấp hơn ở vùng bị gián đoạn; và kích thước và sự phân bố của các khuyết tật trong vùng bị gián đoạn cao hơn nhiều.
Quá trình gián đoạn tạo cảm hứng cho việc tái sản xuất và sửa chữa in 3D
Vì kích thước và sự phân bố của các khuyết tật như vết nứt và độ rỗng đã được chứng minh là làm thay đổi đáng kể tính toàn vẹn của cấu trúc và tính chất vật liệu của các bộ phận được chế tạo thêm, nên khu vực đứt gãy có thể là khu vực quan trọng ảnh hưởng đến sự an toàn của cấu trúc tổng thể. Điều này đặc biệt quan trọng khi xem xét một số loại gián đoạn quy trình, đặc biệt là quy trình tái sản xuất hoặc sửa chữa bằng sản xuất phụ gia.
Vì lý do này, khi các thành phần này được sử dụng làm thành phần quan trọng trong các ứng dụng hàng không vũ trụ, y tế và giao thông, quy trình đảm bảo chất lượng của các thành phần này có thể phải kiểm tra chất lượng nghiêm ngặt hơn và kiểm tra không phá hủy. Mức độ nghiêm trọng và sự phân bố khuyết tật trong các vùng gián đoạn quy trình có thể được giảm bớt bởi một số quy trình trước và sau thực hiện. Việc gia nhiệt trước bộ phận đến nhiệt độ chế tạo trước khi bắt đầu lại quá trình sau khi bị gián đoạn làm giảm tác động của sốc nhiệt và ứng suất, đồng thời giảm sự phát triển của các khuyết tật và vết nứt. Về xử lý sau, một số biện pháp khắc phục như quy trình xử lý nhiệt hoặc ép đẳng nhiệt nóng (HIP) có thể giúp cải thiện tính toàn vẹn và hiệu suất của bộ phận. Những cân nhắc đề xuất này phải được nghiên cứu trong các nghiên cứu trong tương lai để xác định sự phù hợp chính xác và tác động đến chất lượng của việc lắp ráp cuối cùng.