Πώς να δοκιμάσετε την αντοχή των μεταλλικών καλουπιών τρισδιάστατης εκτύπωσης;

一, Η κύρια μέθοδος για τη δοκιμή αντοχής
Η δοκιμή αντοχής των μεταλλικών καλουπιών τρισδιάστατης εκτύπωσης πρέπει να περιλαμβάνει τρεις διαστάσεις: χαρακτηριστικά υλικού, μικροδομή και έλεγχο ελαττωμάτων, δημιουργώντας έναν πολυεπίπεδο και πολυδιάστατο βρόχο δοκιμής.
1. Έλεγχος της μηχανικής απόδοσης: Δείκτης ποσοτικής αντοχής
Δοκιμή εφελκυσμού: Χρησιμοποιήστε έναν γενικό εξοπλισμό δοκιμών για να βάλετε ένα αξονικό εφελκυστικό φορτίο στο υλικό καλουπιού. Αυτό θα σας δείξει την αντοχή σε εφελκυσμό (UTS), την αντοχή διαρροής (YS) και την επιμήκυνση κατά τη θραύση (EL). Για παράδειγμα, τα καλούπια από κράμα τιτανίου πρέπει να πληρούν το πρότυπο ASTM E8 και το UTS τους πρέπει να είναι μεταξύ 800 και 1000 MPa, ενώ το YS τους πρέπει να είναι τουλάχιστον 700 MPa.
Δοκιμή συμπίεσης: Ελέγξτε πόσο σταθερό είναι το καλούπι όταν συμπιέζεται. Αυτή η δοκιμή είναι ιδιαίτερα χρήσιμη για τη στήριξη κατασκευών ή εξαρτημάτων με χοντρά τοιχώματα. Για παράδειγμα, το πρότυπο GB/T 7314 πρέπει να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο της αντοχής σε θλίψη των καλουπιών από κράμα αλουμινίου για να βεβαιωθείτε ότι δεν λυγίζουν όταν σχηματίζονται υπό υψηλή πίεση.
Η δοκιμή κάμψης τριών-σημείων ή τεσσάρων-σημείων εκτελείται για να διαπιστωθεί πόσο άκαμπτο είναι το καλούπι καθώς λυγίζει και πόσο ισχυρός είναι ο δεσμός μεταξύ των στρωμάτων. Η δοκιμή της αντοχής σε κάμψη των καλουπιών από ανοξείδωτο χάλυβα σύμφωνα με το ISO 14125 είναι ένας τρόπος για να αποφευχθεί η πρόκληση αστοχίας από το ξεφλούδισμα των ενδιάμεσων στρωμάτων.
Δοκιμή κρούσης: Χρησιμοποιήστε μια μηχανή δοκιμής κρούσης εκκρεμούς για να μιμηθείτε δυναμικά φορτία και να μάθετε πόσο ανθεκτικό είναι το καλούπι (για παράδειγμα, η ενέργεια κρούσης εγκοπής Charpy V-). Για παράδειγμα, το καλούπι για λεπίδες κινητήρων αεροσκαφών πρέπει να πληροί το πρότυπο ASTM E23 για να βεβαιωθείτε ότι δεν σπάει εύκολα όταν χρησιμοποιείται σε σκληρές καταστάσεις.
Δοκιμή κόπωσης: Χρησιμοποιήστε ένα μηχάνημα δοκιμών κόπωσης υψηλής Τα καλούπια αυτοκινήτων, για παράδειγμα, πρέπει να πληρούν το πρότυπο ISO 12107 και να έχουν όριο κόπωσης τουλάχιστον 300 MPa για να χειρίζονται τις καταπονήσεις της μακροπρόθεσμης σφράγισης υψηλής{{5} πίεσης.
2. Ανάλυση μικροδομής: ανακάλυψη τι καθιστά δυνατή την αντοχή
Χρησιμοποιήστε ένα μεταλλογραφικό μικροσκόπιο (OM) για να εξετάσετε το μέγεθος των κόκκων του καλουπιού, τη σύνθεση φάσης και τη διεπαφή μεταξύ των στρωμάτων. Για παράδειγμα, τα καλούπια που κατασκευάζονται με SLM (Selective Laser Melting) έχουν συχνά μικροσκοπικούς ισοαξονισμένους κόκκους, που τα καθιστούν περισσότερο από 30% ισχυρότερα από τα τυπικά χυτά.
Ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM): Δείτε πώς ξεκινούν και εξαπλώνονται οι ρωγμές και αναζητήστε ελαττώματα όπως η έλλειψη σύντηξης και το πορώδες. Για παράδειγμα, η SEM πρέπει να ελέγξει τα καλούπια EBM (τήξη δέσμης ηλεκτρονίων) για να βεβαιωθεί ότι δεν είναι πολύ πορώδη (Μικρότερο ή ίσο με 0,5%) και για να αποφύγει τη συγκέντρωση τάσεων.
Περίθλαση οπισθοσκέδασης ηλεκτρονίων (EBSD): Μετρήστε τη διαφορά στον προσανατολισμό των κρυστάλλων (τιμή KAM) και ελέγξτε πόσο καλά το υλικό μπορεί να παραμορφωθεί τοπικά. Για παράδειγμα, μέρη με υψηλές τιμές KAM είναι πιθανό να εμφανίσουν ρωγμές και απαιτείται θερμική επεξεργασία για να βελτιωθεί ο προσανατολισμός των κόκκων.
3. Βρείτε ελαττώματα: απαλλαγείτε από κρυμμένους κινδύνους δύναμης
Σάρωση αξονικής τομογραφίας για τη βιομηχανία: Έλεγχος για εσωτερικά ελαττώματα σε καλούπια που δεν τα καταστρέφουν, όπως πόροι, ρωγμές και σημεία όπου το καλούπι δεν έχει συγκολληθεί πλήρως. Για παράδειγμα, τα καλούπια αεροσκαφών πρέπει να πληρούν το πρότυπο ISO 17637 για να διασφαλίζεται ότι τα ελαττώματα δεν είναι μεγαλύτερα από 0,1 mm και ότι οι ρωγμές κόπωσης δεν εξαπλώνονται.
Η δοκιμή υπερήχων (UT) εντοπίζει ελαττώματα που είναι βαθιά μέσα και λειτουργεί καλύτερα σε καλούπια με χοντρά τοιχώματα. Για παράδειγμα, τα καλούπια πάνελ αυτοκινήτου πρέπει να πληρούν το πρότυπο ASTM E233 προκειμένου να βρεθούν εσωτερικά ελαττώματα που έχουν βάθος τουλάχιστον 50 mm.
Φασματοσκοπία φθορισμού ακτίνων Χ (XRF): Ελέγξτε γρήγορα τη χημική σύνθεση του καλουπιού για να βεβαιωθείτε ότι το περιεχόμενο του στοιχείου είναι αυτό που θα έπρεπε. Τα καλούπια κράματος με βάση το νικέλιο, για παράδειγμα, πρέπει να πληρούν το πρότυπο ISO 3497 για να διατηρούν το εύρος των κρίσιμων συστατικών όπως το Cr και το Mo κάτω από 0,5%.
2, Σύστημα προτύπων δοκιμών τόσο για διεθνή όσο και για εγχώρια χρήση
Τα μεταλλικά καλούπια τρισδιάστατης εκτύπωσης πρέπει να ελεγχθούν για αντοχή σύμφωνα με αυστηρά διεθνή και εγχώρια πρότυπα για να βεβαιωθείτε ότι τα δεδομένα μπορούν να συγκριθούν και ότι τηρούνται οι κανόνες.
1. Πρότυπα από όλο τον κόσμο
ISO/ASTM 52900: Καθιερώνει ορισμούς και ταξινομήσεις για την ορολογία της τρισδιάστατης εκτύπωσης, προσφέροντας μια θεμελιώδη βάση για δοκιμές αντοχής.
ISO 23499: θέτει τα πρότυπα για την ακρίβεια διαστάσεων και την ποιότητα της επιφάνειας των μεταλλικών 3D εκτυπωμένων αντικειμένων. Αυτό έχει έμμεση επίδραση στις δοκιμές αντοχής.
ASTM E8/E23/E466: Αυτά είναι τα κύρια πρότυπα για τη δοκιμή αντοχής σε καλούπι. Σας λένε πώς να κάνετε δοκιμές εφελκυσμού, κρούσης και κόπωσης.
2. Πρότυπα για το σπίτι
GB/T 39251: Διευκρινίστε τους κανόνες προετοιμασίας και χρήσης δειγμάτων για εφελκυσμό, συμπίεση, κάμψη και άλλες δοκιμές των μηχανικών ιδιοτήτων τρισδιάστατων εκτυπωμένων μεταλλικών υλικών.
GB/T 39651: καθορίζει τα βήματα για την επιθεώρηση και την αξιολόγηση εξαρτημάτων κατασκευής μεταλλικών πρόσθετων, συμπεριλαμβανομένου του τρόπου ταξινόμησης ελαττωμάτων και καθορισμού κριτηρίων αποδοχής.
QB/T 5696: Αυτό το πρότυπο μιλά για την ποιότητα των μεταλλικών υλικών τρισδιάστατης εκτύπωσης και θέτει ιδιαίτερες απαιτήσεις για πράγματα όπως το μέγεθος και η ικανότητα ροής των σωματιδίων σκόνης, τα οποία επηρεάζουν την αντοχή του καλουπιού με έμμεσο τρόπο.
3, Σημαντικά τεχνικά προβλήματα και πώς να τα διορθώσετε
Για να κάνουμε τα μεταλλικά καλούπια τρισδιάστατης εκτύπωσης ισχυρότερα, πρέπει να βρούμε τρόπους αντιμετώπισης προβλημάτων όπως η ανισοτροπία, η υπολειπόμενη τάση και η ποιότητα της επιφάνειας. Αυτό μπορεί να γίνει μέσω νέας τεχνολογίας και καλύτερων διαδικασιών.
1. Ελεγκτική ανισοτροπία
Η αντοχή των τρισδιάστατων εκτυπωμένων καλουπιών αλλάζει με βάση τον προσανατολισμό της εκτύπωσης (διαμήκης, εγκάρσια, λοξή). Για παράδειγμα, η διαμήκης αντοχή των καλουπιών που δημιουργούνται από SLM θα μπορούσε να είναι 20% υψηλότερη από την εγκάρσια αντοχή.
Λύση: Βελτιώστε τον τρόπο σάρωσης: Χρησιμοποιήστε ένα σκακιέρα ή μια σπειροειδή διαδρομή σάρωσης για να κάνετε τις αλλαγές στη θερμική καταπόνηση στα στρώματα λιγότερο αισθητές.
Ενδυνάμωση μετά την{0}}επεξεργασία: Η θερμή ισοστατική πίεση (HIP) αφαιρεί τους πόρους, αυξάνοντας την πυκνότητα του καλουπιού σε πάνω από 99,9%.
Δοκιμή πολλαπλών-κατευθύνσεων: Τα δείγματα λαμβάνονται σε τρεις διαφορετικές κατευθύνσεις-διαμήκης, εγκάρσια και λοξή-για να βεβαιωθείτε ότι η ελάχιστη αντοχή είναι σύμφωνη με τα πρότυπα σχεδιασμού.
2. Διαχείριση υπολειπόμενης καταπόνησης Πρόβλημα: Όταν η 3D εκτύπωση κρυώνει πολύ γρήγορα, μπορεί να δημιουργήσει υπολειπόμενη τάση, η οποία μπορεί να προκαλέσει κάμψη ή θραύση του καλουπιού.
Λύση: Ανόπτηση ανακούφισης από το στρες: Διατηρήστε το στους 500-600 βαθμούς για 2 έως 4 ώρες για να απαλλαγείτε από το εσωτερικό στρες.
Η κρούση με λέιζερ χρησιμοποιεί δέσμες λέιζερ υψηλής-ενέργειας για να αλλάξει το σχήμα της επιφάνειας, να προσθέσει υπολειμματική τάση συμπίεσης και να κάνει το υλικό να επιβιώσει περισσότερο.
Παρακολούθηση στο διαδίκτυο: Χρήση ενσωματωμένων-αισθητήρων οπτικών ινών για να παρακολουθείτε την κατανομή της πίεσης σε πραγματικό χρόνο και να αλλάζετε τις ρυθμίσεις εκτύπωσης όπως απαιτείται.
3. Καλύτερη ποιότητα επιφάνειας Πρόβλημα: Η τραχύτητα επιφάνειας (Ra) των τρισδιάστατων εκτυπωμένων καλουπιών είναι συνήθως 10–20 μm, γεγονός που τα καθιστά εύκολο να θρυμματιστούν.
Απάντηση:
Μηχανική στίλβωση: Μια μηχανή γυαλίσματος CNC μπορεί να μειώσει το Ra σε λιγότερο από 0,8 μm, γεγονός που καθιστά την επιφάνεια ισχυρότερη.
Χημική στίλβωση: χρήση πλύσης με οξύ ή ηλεκτρολυτικής στίλβωσης για να απαλλαγούμε από μικρές επιφανειακές ατέλειες και να κάνουμε την επιφάνεια πιο ανθεκτική στη διάβρωση.
Πυροβολισμός: Αυτή η διαδικασία προσθέτει ένα στρώμα υπολειπόμενης θλιπτικής τάσης στην επιφάνεια χτυπώντας την με-βλήματα υψηλής ταχύτητας. Αυτό το κάνει πιο ανθεκτικό στην κούραση.
4, Μελέτη Περίπτωσης και Βιομηχανική Πρακτική
Περίπτωση 1: Καλούπι για τη λεπίδα κινητήρα αεροσκάφους
Το υλικό είναι το κράμα υψηλής θερμοκρασίας-με βάση το νικέλιο (Inconel 718).
Επίκεντρο του τεστ:
Αντοχή σε υψηλή θερμοκρασία: Το πρότυπο GB/T 4338 λέει ότι η αντοχή εφελκυσμού πρέπει να δοκιμαστεί στους 650 βαθμούς για να βεβαιωθείτε ότι είναι τουλάχιστον 800 MPa.
Απόδοση θερμικής κόπωσης: Χρησιμοποιήστε το ISO 12111 για να ελέγξετε τον ρυθμό διάδοσης του σπασίματος κατά τη διάρκεια των κύκλων εκκίνησης-σταματήματος του κινητήρα.
Μικροδομή: Χρησιμοποιήστε το EBSD για να δείτε την κατανομή της «φάσης» και βεβαιωθείτε ότι το μέγεθος της φάσης ενίσχυσης είναι Μικρότερο ή ίσο με 50 nm. Αυτό θα κάνει το υλικό πιο σταθερό σε υψηλές θερμοκρασίες.
Το καλούπι διαρκεί τρεις φορές περισσότερο από τα τυπικά χυτά, που είναι αυτό που χρειάζεται για να λειτουργήσουν οι κινητήρες των αεροσκαφών για 100.000 ώρες.
Περίπτωση 2: Καλούπι για κάλυμμα αυτοκινήτου
Υλικό: Χάλυβας υψηλής αντοχής (H13)
Τι να δοκιμάσετε:
Αντοχή στη φθορά: Το πρότυπο ASTM G65 ελέγχει την ποσότητα φθοράς για να βεβαιωθεί ότι είναι Μικρότερη ή ίση με 0,1 g/1000 περιστροφές.
Αντοχή σε κρούση: Η ενέργεια κρούσης Charpy πρέπει να είναι τουλάχιστον 30 J, σύμφωνα με το πρότυπο ISO 148.
Ακρίβεια διαστάσεων: Χρησιμοποιήστε τη δοκιμή CMM για να βεβαιωθείτε ότι η ανακρίβεια της επιφάνειας του καλουπιού είναι μικρότερη ή ίση με 0,05 mm.
Το καλούπι διαρκεί για 500.000 κύκλους σφράγισης, που είναι 50% περισσότερο από άλλα καλούπια.