Od tradicionalne suptraktivne proizvodnje do aditivne proizvodnje u nastajanju, različite metode izrade i obrade metala imaju značajan utjecaj na strukturu materijala i mehanička svojstva konačnog proizvoda. Utjecaj tradicionalnih proizvodnih metoda na mehanička svojstva metala široko je poznat, ali odnos između aditivnih proizvodnih procesa i karakteristika proizvoda prilično je složen i važna je tema u polju istraživanja.
Među mnogim studijama, utjecaj prekida procesa 3D ispisa na mikrostrukturu i svojstva metalnih aditivno proizvedenih dijelova je posebna tema. Procesi aditivne proizvodnje oslanjaju se na kontinuirano tiskanje materijala sloj po sloj, uz stroge zahtjeve taljenja i skrućivanja. Kada se proces ispisa prekine, dolazi do poremećaja termodinamike koja kontrolira čvrstoću veze i stvaranje defekata unutar sloja. Očekuje se da će prekidi u procesima aditivne proizvodnje utjecati na međuslojno spajanje, ugrožavajući razvoj jednolike mikrostrukture i mehaničkih svojstava metalnih dijelova.
Čak i bez razmatranja prekida procesa, postoji jasan prostor za poboljšanje u proizvodnji metalnih aditiva u smislu točnosti dimenzija i svojstava materijala. Tijekom 3D ispisa, kinetika skrućivanja i međuslojno spajanje određuju zrnastu strukturu i mehanička svojstva dijela, koja su pod utjecajem toplinskih gradijena, brzina hlađenja i toplinskih ciklusa. Iako je proces fuzije za 3D ispis teško kontrolirati, ti se čimbenici mogu optimizirati kontinuiranim i neprekinutim taloženjem i toplinskom kontrolom.
Međutim, tijekom proizvodnje 3D ispisa može doći do prekida procesa zbog moguće potrebe za ugradnjom elemenata za nadzor (kao što su senzori, aktuatori i uređaji za žetvu energije), nadopune materijala, promjene rasporeda proizvodnje, itd. Osim toga, može doći i do prekida procesa zbog nestanka struje i kvarova na strojevima. Kada se proces ispisa prekine, otisnuti dio će se postupno hladiti, što će rezultirati pojavom defekata i nehomogenih mikrostruktura zbog prekida toplinskog cikliranja i nepravilnih toplinskih gradijenata. Posljedično, mehanička svojstva konačnog proizvoda su ugrožena. Mogući nedostaci uključuju nedostatak fuzije, kolaps ključanice, poroznost, pukotine od skrućivanja, pukotine u čvrstom stanju, slabu međuslojnu/površinsku čvrstoću veze, nepotpuno odvajanje veziva itd.
Utjecaj prekida procesa na ukupnu izvedbu dijelova za 3D ispis
Za većinu postupaka 3D ispisa metala, prekidi procesa pojavljuju se s vidljivom bojom na spojevima, koji se nazivaju "procesne oznake". U isprekidanim područjima ispitivanih uzoraka prisutne su i promjene boje zbog toplinskih učinaka i defekti na dijelu. Vidljivi nedostaci mogu postojati duž linija prekida procesa i očekuje se da će negativno utjecati na mehanička svojstva uzoraka. Kako bi se dodatno ispitali uzorci i rezani uzorci, izvedeni su NDT eksperimenti kako bi se dodatno procijenile potencijalne promjene u strukturi materijala i mehaničkim svojstvima prije i nakon prekida procesa.
Istraživači sa Sveučilišta u Jordanu istraživali su prekide procesa tijekom aditivne proizvodnje žice za električni luk. Kao objekt istraživanja uzeli su dijelove veličine 130×17×150 mm, a za ispis su koristili Ti-6Al-4V. Nakon 8 sati i kalupljenja, visina je dosegla 120 mm, tisak je prekinut, a proces tiskanja je nastavljen nakon mrtvog vremena koje je trajalo 6 sati. Za to vrijeme oblikovani dio se ohladi na sobnu temperaturu.
Uzorci koje ispisuju istraživači mogu se izrezati za analizu
Varijacije u toplinskoj povijesti dijela mogle su utjecati na formiranje strukture zrna. Glavna razlika između mikrostrukture u normalnim i prekinutim područjima proizvodnog procesa je veličina zrna. Dok je veličina zrna uzoraka prilično ujednačena u normalnim procesnim uvjetima, uzorci iz područja gdje je proces prekinut imali su neujednačenu veličinu zrna. Razlike u teksturi i veličini zrna u područjima normalnog procesa i prekinutim procesima bili su glavni nalazi mikroskopske procjene. Osim toga, zbog interakcije uvjeta prethodno nanesenih slojeva i interakcije novog procesa taloženja, uvjeti skrućivanja (kao što su oblik zavarene kupke i brzina rasta), toplinski gradijenti i brzine hlađenja mogu se promijeniti, a također će utjecati na mehanizam stvaranja defekata.
Vidljivi nedostaci na linijama prekida procesa
Ispitivanje rezonantnom ultrazvučnom spektroskopijom otkrilo je važne promjene u cjelovitosti dijela; testiranjem nanomehaničkih svojstava utvrđeno je smanjenje vrijednosti Youngovog modula i tvrdoće u područjima gdje je proces prekinut; X-zraka kompjutorizirana tomografija otkrila je broj defekata sadržanih u prekinutim područjima više i veće veličine nego u drugim regijama; značajno slabljenje signala i povratno raspršenje prikazani su u ultrazvučnom signalu.
CT slika područja gdje je proces prekinut
Ispitivanjem svojstava materijala zaključeno je da je prekid procesa imao značajan utjecaj na primarni materijal i mehanička svojstva dijela. Čini se da se struktura zrna, tekstura i razina grešaka uzoraka proizvedenih na ili nakon prekinutog područja razlikuju od uzoraka koji nisu doživjeli nikakav prekid procesa ili su prethodno tiskani. Konkretno, snaga i cjelovitost dijela su niži u prekinutoj regiji; a veličina i raspodjela defekata u prekinutoj regiji mnogo su veći.
Prekidi procesa nadahnjuju ponovnu proizvodnju i popravak 3D ispisa
Budući da se pokazalo da veličina i distribucija nedostataka kao što su pukotine i poroznost značajno mijenjaju strukturni integritet i svojstva materijala aditivno proizvedenih dijelova, područje poremećaja može biti kritično područje koje utječe na sigurnost cjelokupne strukture. Ovo je posebno važno kada se razmatra neka vrsta poremećaja u procesu, posebno proces ponovne proizvodnje ili popravak korištenjem aditivne proizvodnje.
Iz tog razloga, kada se ove komponente koriste kao kritične komponente u zrakoplovnim, medicinskim i transportnim aplikacijama, proces osiguranja kvalitete ovih komponenti može biti podvrgnut strožem testiranju kvalitete i ispitivanju bez razaranja. Ozbiljnost i raspodjela nedostataka u područjima prekida procesa mogu se smanjiti nekim procesima prije i nakon proizvodnje. Prethodno zagrijavanje dijela na proizvodnu temperaturu prije ponovnog pokretanja procesa nakon prekida smanjuje učinke toplinskog šoka i stresa te smanjuje razvoj nedostataka i pukotina. U smislu naknadne obrade, nekoliko lijekova kao što su procesi toplinske obrade ili vruće izostatičko prešanje (HIP) mogu pomoći u poboljšanju integriteta i performansi dijela. Ova predložena razmatranja moraju se istražiti u budućim studijama kako bi se utvrdila točna prikladnost i utjecaj na kvalitetu konačnog sklopa.