Làm thế nào để kiểm tra độ bền của khuôn in 3D kim loại?

一, Phương pháp chính để kiểm tra sức mạnh
Việc kiểm tra độ bền của khuôn in 3D kim loại phải bao gồm ba chiều: thuộc tính vật liệu, cấu trúc vi mô và kiểm soát khuyết tật, tạo ra một vòng kiểm tra đa{1}}nhiều cấp độ và nhiều{2} chiều.
1. Kiểm tra tính năng cơ học: Chỉ số độ bền định lượng
Kiểm tra độ bền kéo: Sử dụng thiết bị kiểm tra phổ quát để đặt tải trọng kéo dọc trục lên vật liệu khuôn. Điều này sẽ cho bạn biết độ bền kéo (UTS), cường độ chảy (YS) và độ giãn dài khi đứt (EL). Ví dụ: khuôn hợp kim titan phải đáp ứng tiêu chuẩn ASTM E8 và UTS của chúng phải nằm trong khoảng từ 800 đến 1000 MPa, trong khi YS của chúng phải ít nhất là 700 MPa.
Kiểm tra độ nén: Kiểm tra độ ổn định của khuôn khi được nén. Thử nghiệm này đặc biệt hữu ích để hỗ trợ các kết cấu hoặc bộ phận có thành dày. Chẳng hạn, cần sử dụng tiêu chuẩn GB/T 7314 để kiểm tra cường độ nén của khuôn hợp kim nhôm để đảm bảo chúng không bị cong khi được tạo hình dưới áp suất cao.
Thử nghiệm uốn ba điểm hoặc bốn điểm được thực hiện để xem độ cứng của khuôn khi uốn và mức độ liên kết giữa các lớp. Kiểm tra độ bền uốn của khuôn inox theo tiêu chuẩn ISO 14125 là một cách giúp giữ cho lớp giữa không bị bong tróc gây hư hỏng.
Kiểm tra tác động: Sử dụng máy kiểm tra tác động của con lắc để mô phỏng tải trọng động và tìm hiểu khả năng chống chịu của khuôn (ví dụ: năng lượng va đập của rãnh Charpy V{0}}). Chẳng hạn, khuôn làm cánh động cơ hàng không phải đạt tiêu chuẩn ASTM E23 để đảm bảo không dễ bị gãy khi sử dụng trong các tình huống khắc nghiệt.
Kiểm tra độ mỏi: Sử dụng-máy kiểm tra độ mỏi tần số cao để mô phỏng tải theo chu kỳ và tìm hiểu xem khuôn sẽ tồn tại được bao lâu trước khi bị mỏi. Ví dụ: khuôn ô tô phải đáp ứng tiêu chuẩn ISO 12107 và có giới hạn độ mỏi ít nhất là 300 MPa để xử lý ứng suất của quá trình dập áp suất cao-cao-trong thời gian dài.
2. Phân tích cấu trúc vi mô: tìm ra điều gì tạo nên sức mạnh
Sử dụng kính hiển vi kim loại (OM) để xem kích thước hạt, thành phần pha và giao diện giữa các lớp của khuôn. Ví dụ, các khuôn được làm bằng SLM (Nung chảy Laser chọn lọc) thường có các hạt cân bằng cực nhỏ, khiến chúng bền hơn 30% so với vật đúc tiêu chuẩn.
Kính hiển vi điện tử quét (SEM): Xem xét cách các vết nứt bắt đầu và lan rộng, đồng thời tìm kiếm các sai sót như thiếu sự hợp nhất và độ xốp. Ví dụ, SEM cần kiểm tra khuôn EBM (chùm tia điện tử nóng chảy) để đảm bảo chúng không quá xốp (Nhỏ hơn hoặc bằng 0,5%) và để tránh tập trung ứng suất.
Nhiễu xạ tán xạ ngược điện tử (EBSD): Đo sự khác biệt về hướng tinh thể (giá trị KAM) và kiểm tra xem vật liệu có thể biến dạng cục bộ tốt như thế nào. Ví dụ, những nơi có giá trị KAM cao có khả năng phát triển các vết nứt và cần phải xử lý nhiệt để cải thiện khả năng định hướng của các hạt.
3. Tìm khuyết điểm: loại bỏ những rủi ro tiềm ẩn về điểm mạnh
Quét CT dành cho ngành công nghiệp: Kiểm tra các sai sót bên trong khuôn mà không làm hỏng chúng, chẳng hạn như lỗ chân lông, vết nứt và các điểm mà khuôn chưa hợp nhất hoàn toàn. Ví dụ, khuôn hàng không phải đáp ứng tiêu chuẩn ISO 17637 để đảm bảo các khuyết tật không lớn hơn 0,1mm và các vết nứt mỏi không lan rộng.
Kiểm tra siêu âm (UT) phát hiện các lỗi nằm sâu bên trong và hoạt động tốt nhất trên các khuôn có thành dày. Ví dụ, khuôn bảng điều khiển ô tô phải đáp ứng tiêu chuẩn ASTM E233 để tìm ra những sai sót bên trong sâu ít nhất 50 mm.
Quang phổ huỳnh quang tia X (XRF): Kiểm tra nhanh thành phần hóa học của khuôn để đảm bảo hàm lượng nguyên tố đúng như mong muốn. Ví dụ: khuôn hợp kim làm từ niken-phải đáp ứng tiêu chuẩn ISO 3497 để duy trì phạm vi của các thành phần quan trọng như Cr và Mo dưới 0,5%.
2, Hệ thống tiêu chuẩn kiểm nghiệm dùng trong nước và quốc tế
Khuôn in 3D kim loại phải được kiểm tra độ bền theo các tiêu chuẩn nghiêm ngặt trong nước và quốc tế để đảm bảo dữ liệu có thể được so sánh và tuân thủ các quy tắc.
1. Tiêu chuẩn trên toàn thế giới
ISO/ASTM 52900: Thiết lập các định nghĩa và phân loại cho thuật ngữ in 3D, cung cấp cơ sở nền tảng cho việc kiểm tra độ bền.
ISO 23499: đặt ra các tiêu chuẩn về độ chính xác về kích thước và chất lượng bề mặt của các sản phẩm in 3D kim loại. Điều này có ảnh hưởng gián tiếp đến việc kiểm tra sức mạnh.
ASTM E8/E23/E466: Đây là những tiêu chuẩn chính để kiểm tra độ bền của khuôn. Họ cho bạn biết cách thực hiện các bài kiểm tra độ bền kéo, độ va đập và độ mỏi.
2. Tiêu chuẩn cho ngôi nhà
GB/T 39251: Làm rõ các quy tắc chuẩn bị và sử dụng mẫu cho các thử nghiệm kéo, nén, uốn và các thử nghiệm khác về tính chất cơ học của vật liệu kim loại in 3D.
GB/T 39651: đưa ra các bước kiểm tra và đánh giá các bộ phận sản xuất bồi đắp kim loại, bao gồm cách phân loại lỗi và đặt ra tiêu chí chấp nhận.
QB/T 5696: Tiêu chuẩn này nói về chất lượng của vật liệu in 3D kim loại và đặt ra các yêu cầu cụ thể đối với những thứ như kích thước và khả năng chảy của các hạt bột, ảnh hưởng gián tiếp đến độ bền của khuôn.
3, Các sự cố kỹ thuật quan trọng và cách khắc phục
Để làm cho khuôn in 3D kim loại bền hơn, chúng ta cần tìm cách giải quyết các vấn đề như dị hướng, ứng suất dư và chất lượng bề mặt. Điều này có thể được thực hiện thông qua công nghệ mới và quy trình tốt hơn.
1. Kiểm soát tính bất đẳng hướng
Độ bền của khuôn in 3D thay đổi dựa trên hướng in (dọc, ngang, xiên). Ví dụ, độ bền theo chiều dọc của khuôn được tạo ra bằng SLM có thể cao hơn 20% so với độ bền theo chiều ngang.
Giải pháp: Cải thiện cách bạn quét: Sử dụng bàn cờ hoặc đường quét xoắn ốc để làm cho những thay đổi về ứng suất nhiệt giữa các lớp ít được chú ý hơn.
Tăng cường-sau quá trình xử lý: Ép đẳng nhiệt nóng (HIP) sẽ loại bỏ các lỗ chân lông, nâng mật độ khuôn lên hơn 99,9%.
Thử nghiệm đa-hướng: Các mẫu được lấy theo ba hướng khác nhau-dọc, ngang và xiên-để đảm bảo cường độ tối thiểu đáp ứng tiêu chuẩn thiết kế.
2. Quản lý ứng suất dư Vấn đề: Khi in 3D nguội quá nhanh, nó có thể tích tụ ứng suất dư, có thể khiến khuôn bị cong hoặc vỡ.
Giải pháp: Ủ giảm căng thẳng: Giữ ở nhiệt độ 500-600 độ trong 2 đến 4 giờ để giải phóng căng thẳng bên trong.
Gia công xung kích bằng laze sử dụng chùm tia laze năng lượng cao-để thay đổi hình dạng của bề mặt, tăng thêm ứng suất nén dư và giúp vật liệu tồn tại lâu hơn.
Giám sát trực tuyến: Sử dụng-cảm biến sợi quang tích hợp để theo dõi sự phân bổ ứng suất trong thời gian thực và thay đổi cài đặt in nếu cần.
3. Chất lượng bề mặt tốt hơn Vấn đề: Độ nhám bề mặt (Ra) của khuôn in 3D thường là 10–20 μm, khiến chúng dễ vỡ.
Trả lời:
Đánh bóng cơ học: Máy đánh bóng CNC có thể hạ Ra xuống dưới 0,8 μm, giúp bề mặt chắc chắn hơn.
Đánh bóng hóa học: sử dụng phương pháp rửa axit hoặc đánh bóng điện phân để loại bỏ các khuyết tật nhỏ trên bề mặt và làm cho bề mặt có khả năng chống ăn mòn cao hơn.
Bắn bóng: Quá trình này bổ sung thêm một lớp ứng suất nén dư lên bề mặt bằng cách bắn đạn tốc độ cao-vào bề mặt. Điều này làm cho nó có khả năng chống mệt mỏi cao hơn.
4, Nghiên cứu trường hợp và thực tiễn trong ngành
Trường hợp 1: Khuôn làm cánh động cơ máy bay
Hợp kim nhiệt độ cao- gốc niken (Inconel 718) là vật liệu.
Trọng tâm của bài kiểm tra:
Độ bền nhiệt độ cao: Tiêu chuẩn GB/T 4338 nói rằng độ bền kéo phải được kiểm tra ở 650 độ để đảm bảo nó ít nhất là 800 MPa.
Hiệu suất mỏi do nhiệt: Sử dụng ISO 12111 để kiểm tra tốc độ lan truyền vết nứt trong các chu kỳ dừng-khởi động động cơ.
Cấu trúc vi mô: Sử dụng EBSD để xem xét sự phân bố của pha 'và đảm bảo rằng kích thước của pha tăng cường Nhỏ hơn hoặc bằng 50 nm. Điều này sẽ làm cho vật liệu ổn định hơn ở nhiệt độ cao.
Khuôn có tuổi thọ cao gấp ba lần so với vật đúc tiêu chuẩn, đó là điều cần thiết để động cơ máy bay hoạt động trong 100.000 giờ.
Trường hợp 2: Khuôn vỏ ô tô
Chất liệu: Thép có độ bền cao (H13)
Những gì cần kiểm tra:
Khả năng chống mài mòn: Tiêu chuẩn ASTM G65 kiểm tra lượng mài mòn để đảm bảo nhỏ hơn hoặc bằng 0,1 g/1000 vòng quay.
Khả năng chống va đập: Năng lượng va đập Charpy phải đạt ít nhất 30 J, theo tiêu chuẩn ISO 148.
Độ chính xác về kích thước: Sử dụng thử nghiệm CMM để đảm bảo rằng độ chính xác của bề mặt khuôn nhỏ hơn hoặc bằng 0,05 mm.
Khuôn có tuổi thọ 500.000 chu kỳ dập, dài hơn 50% so với các khuôn khác.