1, Die Gründe und Ergebnisse von Porenproblemen
Poren gehören zu den am häufigsten auftretenden Fehlern in 3D-gedruckten Metallteilen und beeinträchtigen die mechanischen Eigenschaften von Luft- und Raumfahrtteilen erheblich. Poren bilden sich auf komplizierte Weise, meist im Zusammenhang mit Rohstoffen und solchen, die durch Laseraktivität entstehen.
Rohstoffe weisen im Allgemeinen Poren auf, die durch die in Metallpulvern eingeschlossenen Gase und die schützende Umgebung in Maschinen entstehen. Beim Metall-3D-Druck schmilzt und verfestigt sich Metallpulver schnell, und die starken Schwankungen im Schmelzbad können dazu führen, dass das Gas nicht vollständig entweicht und dadurch Poren entstehen. Normalerweise haben diese Löcher eine kugelförmige oder elliptische Form und beeinflussen die mechanischen Eigenschaften des Bauteils durch Größe, Menge, Form und Ausrichtung erheblich.
Die durch Lasereinwirkung erzeugten Poren stehen in engem Zusammenhang mit den Prozessparametern. Ist die eingebrachte Energie beim Lasersintern zu groß oder zu klein, können Poren entstehen. Wenn die Energie zu hoch ist, spritzt flüssiges Metall auf ungeschmolzenes Metallpulver, wodurch Spritzer und Poren entstehen; Wenn die Energie zu niedrig ist, wird das Metallpulver nicht vollständig geschmolzen, was zu einer unzureichenden Bindung zwischen den Schichten und zur Bildung von Poren führt.
Die Ermüdungslebensdauer und Zugfestigkeit von Luft- und Raumfahrtbauteilen können durch Poren erheblich verringert werden. Insbesondere die oberflächenbedingten Poren haben einen großen Einfluss auf das Ermüdungsverhalten der hergestellten Bauteile. Darüber hinaus können Poren die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften von Bauteilen beeinflussen und so durch ungleiche Materialeigenschaften die Gesamtleistung der Bauteile beeinflussen.
2, Gründe und Folgen von Crack-Problemen
Ein weiterer typischer Fehler im Metall-3D-Druckverfahren sind Risse, die die Zuverlässigkeit und Sicherheit von Luft- und Raumfahrtteilen erheblich gefährden. Temperaturverteilung, Eigenspannung und unzureichende Verschmelzung haben Einfluss auf die Entstehung von Rissen.
Ein erheblicher Temperaturunterschied zwischen dem Schmelzbad und dem erstarrten Metall im Prozess des Metall-3D-Drucks führt zu erheblichen Verformungen des Schmelzbades. Aufgrund der geringen Fließfähigkeit der Flüssigkeit kann die durch das Schmelzbad verursachte Verformung jedoch nicht ausgeglichen werden, sodass Erstarrungsrisse entstehen. Darüber hinaus können einige Schmelzzonen im Zusammenhang mit dem Verflüssigungsbereich, der Kornstruktur, der thermischen Dehnung, der Metallschrumpfung und dem Einschluss auch Verflüssigungsbrüche aufweisen.
Die Festigkeit und Haltbarkeit von Flugzeugkomponenten kann durch das Vorhandensein von Rissen stark verändert werden. Insbesondere unter zyklischer Belastung, bei der sich Risse ausbreiten und schließlich zum Bruch von Bauteilen führen, sind Risse eine der Hauptursachen für Ermüdungsversagen. Darüber hinaus können Risse die Spannungsverteilung von Bauteilen beeinflussen, was zu Spannungskonzentrationen und einem schnellen Ermüdungsabbau der Bauteile führt.
3, Reaktionsstrategie
Die folgenden Techniken helfen, die Porositäts- und Rissprobleme des Metall-3D-Drucks zu lösen:
Maximierung der Prozessparameter: Durch die Änderung von Prozessparametern wie Laserleistung, Scangeschwindigkeit und Pulverschichtdicke kann die Entstehung von Poren und Rissen effizient reguliert werden. Geeignete Prozessparameter tragen dazu bei, ein ausreichendes Aufschmelzen und Erstarren des Metallpulvers zu gewährleisten und so die Entstehung von Rissen und Poren zu verhindern.
Die Wahl hochwertiger Metallpulver zur Verringerung der Porosität und Verunreinigungen in den Rohstoffen trägt zur Verbesserung der Qualität der Komponenten bei. Eine Vor-Behandlung von Metallpulver-wie Trocknen und Sieben-kann ebenfalls dazu beitragen, dass das Pulver fließfähiger und homogener wird und somit die Porenbildung verringert wird.
Nachbehandlungsprozess: Poren und Rissgröße können durch Nachbehandlungsverfahren wie mechanische Bearbeitung, Wärmebehandlung und Polieren weiter verringert werden. Insbesondere die Behandlung mit heißisostatischem Pressen (HIP) kann innere Fehler erheblich reduzieren und die Materialermüdungsleistung verbessern.
Steuerung der Vorheiz- und Abkühlgeschwindigkeit des Substrats: Darüber hinaus beeinflusst das Vorheizen des Substrats während des gesamten Druckvorgangs und dessen Aufrechterhaltung einer bestimmten Temperatur sowie die Aufrechterhaltung der geeigneten Abkühlgeschwindigkeit den Fehlergehalt des Endprodukts. Durch die Verringerung von Restspannungen und damit die Reduzierung von Temperaturgradienten kann das Vorwärmen des Substrats dazu beitragen, das Auftreten von Rissen zu verhindern.
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