従来のサブトラクティブ マニュファクチャリングから新しいアディティブ マニュファクチャリングまで、さまざまな金属加工および処理方法が、最終製品の材料構造と機械的特性に大きな影響を与えます。 金属の機械的特性に対する従来の製造方法の影響は広く認識されていますが、積層造形プロセスと製品特性の関係は非常に複雑であり、研究分野における重要なトピックです。
多くの研究の中で、3D プリント プロセスの中断が金属積層造形部品の微細構造と特性に与える影響は、ニッチなトピックです。 アディティブ マニュファクチャリング プロセスは、材料を層ごとに連続的に印刷することに依存しており、厳しい溶融および固化の要件があります。 印刷プロセスが中断されると、層内の結合強度と欠陥の生成を制御する熱力学が妨げられます。 付加製造プロセスの中断は、金属部品の均一な微細構造と機械的特性の発達を損なう、中間層の結合に影響を与えると予想されます。
プロセスの中断を考慮しなくても、寸法精度と材料特性の点で、金属積層造形には明らかに改善の余地があります。 3D プリント中、凝固速度論と層間結合によって、部品の粒子構造と機械的特性が決まります。これらは、温度勾配、冷却速度、および熱循環によって支配されます。 3D プリンティングの融合プロセスは制御が困難ですが、これらの要因は、継続的かつ中断のない堆積と熱制御によって最適化できます。
ただし、3D プリントの生産中に、監視要素 (センサー、アクチュエーター、エネルギー ハーベスティング デバイスなど) の組み込み、材料の補充、生産スケジュールの変更などが必要になる可能性があるため、プロセスの中断が発生する可能性があります。さらに、プロセスの中断も発生する可能性があります。停電や機械の故障で。 印刷プロセスが中断されると、印刷された部品は徐々に冷却され、熱サイクルの中断と不規則な温度勾配により、欠陥や不均一な微細構造が発生します。 その結果、最終製品の機械的特性が損なわれます。 考えられる欠陥には、融合の欠如、鍵穴の崩壊、気孔、凝固割れ、固体割れ、層間/表面結合強度の低下、結合剤の不完全な脱結合などがあります。
3D プリント部品の全体的なパフォーマンスに対するプロセス中断の影響
ほとんどの金属 3D プリント プロセスでは、プロセスの中断は接合部に「プロセス マーク」と呼ばれる目に見える色で現れます。 調査したサンプルの中断された領域では、熱の影響による色の変化と部品の欠陥の両方が存在します。 目に見える欠陥は、プロセス中断ラインに沿って存続する可能性があり、サンプルの機械的特性に悪影響を及ぼすことが予想されます。 サンプルとスライスしたサンプルをさらに調べるために、NDT 実験を実施して、プロセス中断前後の材料構造と機械的特性の潜在的な変化をさらに評価しました。
ヨルダン大学の研究者は、アーク ワイヤ積層造形中のプロセスの中断を調査しました。 彼らは研究対象として 130×17×150mm の部品を取り、印刷には Ti-6Al-4V を使用しました。 成形8時間後、高さが120mmに達したため印刷を中断し、6時間のデッドタイムを経て印刷を再開した。 この間、成形品は室温まで冷却されます。
研究者によって印刷されたサンプルは、分析のために切り取ることができます
部品の熱履歴の変化が粒子構造の形成に影響を与えた可能性があります。 通常の製造プロセス領域と中断された製造プロセス領域の微細構造の主な違いは、粒子のサイズです。 サンプルの粒径は通常のプロセス条件下ではかなり均一ですが、プロセスが中断された領域のサンプルは不均一な粒径でした。 通常のプロセス領域と中断されたプロセス領域の組織と粒子サイズの違いが、顕微鏡評価の主な発見でした。 さらに、以前に堆積した層の条件と新しい堆積プロセスの相互作用により、凝固条件 (溶融池の形状や成長速度など)、温度勾配、および冷却速度が変化した可能性があります。欠陥発生のメカニズムも影響を受ける。
工程中断ラインの目に見える欠陥
共鳴超音波分光法によるテストにより、部品の完全性に重要な変化が明らかになりました。 ナノメカニカル特性のテストでは、プロセスが中断された領域でヤング率と硬度の値が低下することがわかりました。 X線コンピュータ断層撮影により、中断された領域に含まれる欠陥の数が他の領域よりも多く、サイズが大きいことが明らかになりました。 超音波信号には、大幅な信号減衰と後方散乱が見られます。
プロセスが中断された領域の CT 画像
材料特性のテストでは、プロセスの中断が部品の主要な材料および機械的特性に重大な影響を与えることが結論付けられました。 中断された領域で、またはその後に製造されたサンプルの粒子構造、テクスチャ、および欠陥レベルは、プロセスの中断を経験しなかったサンプルまたは以前に印刷されたサンプルとは異なるように見えました。 特に、パーツの強度と完全性は、中断された領域で低くなります。 中断された領域の欠陥のサイズと分布ははるかに大きくなります。
プロセスの中断により、3D プリントの再製造と修理が必要になる
亀裂や気孔率などの欠陥のサイズと分布は、付加製造部品の構造的完全性と材料特性を大幅に変えることが示されているため、破壊領域は構造全体の安全性に影響を与える重要な領域になる可能性があります。 これは、ある種のプロセス中断、特に再製造プロセスや付加製造を使用した修理を検討する場合に特に重要です。
このため、これらのコンポーネントが航空宇宙、医療、輸送用途の重要なコンポーネントとして使用される場合、これらのコンポーネントの品質保証プロセスは、より厳しい品質試験と非破壊試験の対象となる場合があります。 プロセス中断領域での深刻度と欠陥の分布は、いくつかの製造前および製造後のプロセスによって減らすことができます。 中断後にプロセスを再開する前に部品を製造温度に予熱すると、熱衝撃と応力の影響が減少し、欠陥や亀裂の発生が減少します。 後処理に関しては、熱処理プロセスや熱間静水圧プレス (HIP) などのいくつかの改善策が、部品の完全性と性能の向上に役立つ場合があります。 これらの提案された考慮事項は、正確な適合性と最終アセンブリの品質への影響を判断するために、将来の研究で調査する必要があります。