Wie kann man die Festigkeit von 3D-Druckformen aus Metall testen?

一, Die Hauptmethode zur Festigkeitsprüfung
Die Festigkeitsprüfung von 3D-Druckformen aus Metall muss drei Dimensionen umfassen: Materialattribute, Mikrostruktur und Fehlerkontrolle, wodurch eine mehrstufige und mehrdimensionale Prüfschleife entsteht.
1. Prüfung der mechanischen Leistung: Index der quantitativen Festigkeit
Zugversuch: Mit einem Universalprüfgerät eine axiale Zugbelastung auf das Formmaterial ausüben. Daraus erfahren Sie die Zugfestigkeit (UTS), die Streckgrenze (YS) und die Bruchdehnung (EL). Beispielsweise müssen Formen aus Titanlegierungen den ASTM E8-Standard erfüllen und ihr UTS muss zwischen 800 und 1000 MPa liegen, während ihr YS mindestens 700 MPa betragen muss.
Kompressionstest: Prüfen Sie, wie stabil die Form beim Komprimieren ist. Dieser Test eignet sich besonders für tragende Strukturen oder Bauteile mit dicken Wänden. Beispielsweise muss die Norm GB/T 7314 verwendet werden, um die Druckfestigkeit von Formen aus Aluminiumlegierungen zu überprüfen, um sicherzustellen, dass sie sich nicht verbiegen, wenn sie unter hohem Druck geformt werden.
Der Drei-{0}}Punkt- oder Vier-{1}-Punkt-Biegetest wird durchgeführt, um festzustellen, wie steif die Form beim Biegen ist und wie stark die Verbindung zwischen den Schichten ist. Die Prüfung der Biegefestigkeit von Edelstahlformen gemäß ISO 14125 ist eine Möglichkeit, zu verhindern, dass das Ablösen der Zwischenschicht zu Ausfällen führt.
Schlagversuch: Verwenden Sie eine Pendelschlagprüfmaschine, um dynamische Belastungen nachzuahmen und herauszufinden, wie widerstandsfähig die Form ist (z. B. die Kerbschlagenergie nach Charpy V-). Beispielsweise muss die Form für Flugzeugtriebwerksschaufeln den ASTM E23-Standard erfüllen, um sicherzustellen, dass sie bei rauen Einsatzbedingungen nicht leicht bricht.
Ermüdungstest: Verwenden Sie eine Hochfrequenz-Ermüdungstestmaschine, um Zyklusbelastungen zu simulieren und herauszufinden, wie lange die Form hält, bevor sie ermüdet. Automobilformen müssen beispielsweise die Norm ISO 12107 erfüllen und eine Ermüdungsgrenze von mindestens 300 MPa aufweisen, um den Belastungen des langfristigen Hochdruckstanzens standzuhalten.
2. Mikrostrukturanalyse: Herausfinden, was Festigkeit ermöglicht
Verwenden Sie ein metallografisches Mikroskop (OM), um die Korngröße, die Phasenzusammensetzung und die Zwischenschichtschnittstelle der Form zu untersuchen. Beispielsweise weisen Formen, die mit SLM (Selective Laser Melting) hergestellt werden, häufig mikroskopisch kleine gleichachsige Körner auf, wodurch sie mehr als 30 % fester sind als Standardgussteile.
Rasterelektronenmikroskop (REM): Sehen Sie sich an, wie Risse entstehen und sich ausbreiten, und suchen Sie nach Fehlern wie mangelnder Verschmelzung und Porosität. Beispielsweise muss SEM EBM-Formen (Elektronenstrahlschmelzen) überprüfen, um sicherzustellen, dass sie nicht zu porös sind (weniger als oder gleich 0,5 %) und um Spannungskonzentrationen zu vermeiden.
Elektronenrückstreubeugung (EBSD): Messen Sie den Unterschied in der Kristallorientierung (KAM-Wert) und testen Sie, wie gut sich das Material lokal verformen kann. Beispielsweise ist es an Stellen mit hohen KAM-Werten wahrscheinlich, dass sich Risse bilden, und eine Wärmebehandlung ist erforderlich, um die Ausrichtung der Körner zu verbessern.
3. Mängel finden: Verborgene Festigkeitsrisiken beseitigen
CT-Scannen für die Industrie: Prüfung auf innere Fehler in Formen, die diese nicht beschädigen, wie Poren, Risse und Stellen, an denen die Form nicht vollständig verschmolzen ist. Beispielsweise müssen Formen für die Luftfahrt die Norm ISO 17637 erfüllen, um sicherzustellen, dass Fehler nicht größer als 0,1 mm sind und sich Ermüdungsrisse nicht ausbreiten.
Die Ultraschallprüfung (UT) findet Fehler, die tief im Inneren liegen, und funktioniert am besten bei Formen mit dicken Wänden. Beispielsweise müssen Autopaneelformen dem ASTM E233-Standard entsprechen, um innere Fehler zu finden, die mindestens 50 mm tief sind.
Röntgenfluoreszenzspektroskopie (RFA): Überprüfen Sie schnell die chemische Zusammensetzung der Form, um sicherzustellen, dass der Elementgehalt dem entspricht, was er sein sollte. Formen aus Nickel--Legierungen müssen beispielsweise die Norm ISO 3497 erfüllen, um die Bereiche kritischer Bestandteile wie Cr und Mo unter 0,5 % zu halten.
2, System von Prüfnormen für den internationalen und inländischen Gebrauch
3D-Druckformen aus Metall müssen nach strengen internationalen und nationalen Standards auf ihre Festigkeit geprüft werden, um sicherzustellen, dass die Daten vergleichbar sind und die Regeln eingehalten werden.
1. Standards aus aller Welt
ISO/ASTM 52900: Legt Definitionen und Klassifizierungen für die 3D-Druck-Terminologie fest und bietet eine grundlegende Grundlage für Festigkeitsprüfungen.
ISO 23499: legt die Standards für die Maßhaltigkeit und Oberflächenqualität von 3D-gedruckten Metallartikeln fest. Dies hat indirekte Auswirkungen auf die Festigkeitsprüfung.
ASTM E8/E23/E466: Dies sind die wichtigsten Standards für die Festigkeitsprüfung von Formen. Sie erklären Ihnen, wie Sie Zug-, Schlag- und Ermüdungstests durchführen.
2. Standards für das Zuhause
GB/T 39251: Machen Sie die Regeln für die Vorbereitung und Verwendung von Proben für Zug-, Druck-, Biege- und andere Tests der mechanischen Eigenschaften von 3D-gedruckten Metallmaterialien klar.
GB/T 39651: legt die Schritte zur Prüfung und Bewertung von Teilen aus der additiven Metallfertigung fest, einschließlich der Klassifizierung von Mängeln und der Festlegung von Akzeptanzkriterien.
QB/T 5696: In dieser Norm geht es um die Qualität metallischer 3D-Druckmaterialien und legt besondere Anforderungen an Dinge wie die Größe und Fließfähigkeit von Pulverpartikeln fest, die sich indirekt auf die Festigkeit der Form auswirken.
3, Wichtige technische Probleme und wie man sie behebt
Um 3D-Druckformen aus Metall stabiler zu machen, müssen wir Wege finden, mit Problemen wie Anisotropie, Eigenspannung und Oberflächenqualität umzugehen. Dies kann durch neue Technologien und bessere Prozesse erreicht werden.
1. Kontrolle der Anisotropie
Die Festigkeit 3D-gedruckter Formen ändert sich je nach Druckausrichtung (längs, quer, schräg). Beispielsweise könnte die Längsfestigkeit von durch SLM erzeugten Formen 20 % höher sein als die Querfestigkeit.
Lösung: Verbessern Sie die Art und Weise, wie Sie scannen: Verwenden Sie einen schachbrettartigen oder spiralförmigen Scanpfad, um die Änderungen der thermischen Spannung über die Schichten hinweg weniger auffällig zu machen.
Verfestigung nach der Verarbeitung: Heißisostatisches Pressen (HIP) entfernt Poren und erhöht die Dichte der Form auf über 99,9 %.
Multi-direktionale Tests: Proben werden in drei verschiedenen Richtungen-längs, quer und schräg-entnommen, um sicherzustellen, dass die Mindestfestigkeit den Designstandards entspricht.
2. Umgang mit Eigenspannungen Problem: Wenn der 3D-Druck zu schnell abkühlt, kann es zu Eigenspannungen kommen, die dazu führen können, dass sich die Form verbiegt oder zerbricht.
Lösung: Spannungsarmglühen: Halten Sie es 2 bis 4 Stunden lang bei 500–600 Grad, um innere Spannungen abzubauen.
Beim Laserschockstrahlen werden hochenergetische Laserstrahlen eingesetzt, um die Form der Oberfläche zu verändern, Druckeigenspannungen hinzuzufügen und die Lebensdauer des Materials zu verlängern.
Online-Überwachung: Mithilfe integrierter Glasfasersensoren können Sie die Spannungsverteilung in Echtzeit überwachen und die Druckeinstellungen nach Bedarf ändern.
3. Bessere Oberflächenqualität Problem: Die Oberflächenrauheit (Ra) von 3D-gedruckten Formen beträgt normalerweise 10–20 μm, wodurch sie leicht zerbrechen.
Antwort:
Mechanisches Polieren: Eine CNC-Poliermaschine kann Ra auf weniger als 0,8 μm senken, wodurch die Oberfläche stärker wird.
Chemisches Polieren: Durch saures Waschen oder elektrolytisches Polieren werden kleine Oberflächenfehler beseitigt und die Oberfläche korrosionsbeständiger.
Kugelstrahlen: Dieser Prozess fügt der Oberfläche eine Schicht Restdruckspannung hinzu, indem er mit Hochgeschwindigkeitsprojektilen beschossen wird. Dadurch ist es widerstandsfähiger gegen Ermüdungserscheinungen.
4, Fallstudie und Branchenpraxis
Fall 1: Form für die Schaufel eines Flugzeugtriebwerks
Das Material ist eine Hochtemperaturlegierung auf Nickel--Basis (Inconel 718).
Schwerpunkt des Tests:
Hochtemperaturfestigkeit: Die Norm GB/T 4338 besagt, dass die Zugfestigkeit bei 650 Grad getestet werden sollte, um sicherzustellen, dass sie mindestens 800 MPa beträgt.
Leistung bei thermischer Ermüdung: Verwenden Sie ISO 12111, um die Geschwindigkeit der Bruchausbreitung während Start--Stoppzyklen des Motors zu testen.
Mikrostruktur: Verwenden Sie EBSD, um die Verteilung der Phase zu betrachten und sicherzustellen, dass die Größe der Verstärkungsphase kleiner oder gleich 50 nm ist. Dadurch wird das Material bei hohen Temperaturen stabiler.
Die Form hält dreimal länger als herkömmliche Gussteile, was für eine Laufzeit von 100.000 Stunden bei Flugzeugtriebwerken erforderlich ist.
Fall 2: Form für eine Autoabdeckung
Material: Stahl mit hoher Festigkeit (H13)
Was zu testen ist:
Verschleißfestigkeit: Der ASTM G65-Standard testet die Verschleißmenge, um sicherzustellen, dass sie kleiner oder gleich 0,1 g/1000 Umdrehungen ist.
Schlagfestigkeit: Die Charpy-Schlagenergie muss gemäß ISO 148-Norm mindestens 30 J betragen.
Maßgenauigkeit: Verwenden Sie CMM-Tests, um sicherzustellen, dass die Ungenauigkeit der Formoberfläche kleiner oder gleich 0,05 mm ist.
Die Form hält 500.000 Prägezyklen, was 50 % länger ist als bei anderen Formen.