הבנת טריבולוגיה בייצור אדרטיבי

Tribology, מדע החיכוך, ללבוש, סיכה, הוא גורם קריטי כאשר מרכיבים המיוצרים (AM) נכנסים לשירות.בניגוד לחלקים מכווננים באופן קונבנציונלי, משטחים מודפס 3D לעתים קרובות להציג גסות גבוהה, מיקרו-מבני כיוון, ונפיחות פנימית שמשנה ישירות מכניקה מגע. הבדלים אלה יכולים להוביל לחיכוך מוגבר, לבשו שיעורי, מוקדם אם לא לטפל במהלך עיצוב ותהליכים שלאחר תהליך.

תהליך השכבה-by-layer מציג טופוגרפיות משטח ייחודיות.כל שכבה משאירה מרקם מדוקדק, וכוח האג"ח של אינטרפלה הוא לעתים רחוקות איזוטרופי. וכתוצאה מכך, הביצועים הטריבולוגיים של רכיב AM יכולים להשתנות באופן משמעותי בהתאם לנטייה, גובה שכבתי והיסטוריה תרמית.לדוגמה, ציוד מודפס עם שכבות במקביל לכיוון הזחל עשוי להציג חיכוך נמוך יותר מאשר עם שכבה אחת עם שכבה, אך שניהם שונים מאותו מכשיר.

פגמים פנימיים כגון חוסר היתוך או חלקיקים אבקה לא מחוסנים לפעול כמו העלאת מתח ולבוש מקורות פסולת. במהלך מגע מחוספס, פגמים אלה יכולים לספ, שחרור חלקיקים קשים שגורמים שלושה גוף ללבוש abrasive. מדגיש ריבידיים, נפוץ תהליכים מבוססי לייזר, אזורי תת-קרקעיים חלשים נוספים, קידום עייפות דלמנטום.

משטח קשיחות ומיקרו-מבנה ב AM Components

Surface Topography

לחלקים יש בדרך כלל גסות פני השטח (ערכי R) החל מ 5 עד 30 מיקרומטר, בהשוואה ל 0.1-1.6 מיקרומטר עבור משטחים ממכונה.חוספס זה נובע מהאפקט של המדרגות, חלקיקים מומסים חלקית המדבקות על פני השטח החיצוני, ונקודות תמיכה של סימני משטח גבוה, אלא אם כן מגפיות גבוהה מגבירות את אזור מגע אמיתי ואת ריכוזים מקומיים, אשר הופך חיכוך ללבוש עבור מספר גבוה של 5 פעמים.

מרקם משטח גם משפיע על משטרי סיכה.בגבול או סיכה מעורבת, עמקי פני השטח הגסים יכולים מלכודות lubricant, אבל שיאים יכולים לחדור את הסרט, גרימת מגע מתכת-על-על-מה-על-ידי-ממדיקים באופן מלא, גסות משנה את הסרט elastohydroדינמית, לעתים קרובות להפחית אותו.

Anisotropy ו Defects

ההגשמה המהירה ורכיבה תרמית ב AM יוצרים מיקרו-דורות שאינם-קלידיים עם גרגרי דיפר דקנדריטי, גידול דגנים עמודה, ובמתכות, בשלבים מרטיניים או ביסטיים. זה אנזוטרופיה פירושו תכונות מכניות - ולכן ללבוש התנגדות - דיפר לאורך כיוון הבנייה (Z) מול כיוונים במטוס (X, למשל, את הגמישות עשויה להיות נמוכה יותר מאשר Zentidddddddion) לכיוון ה-Dern-Dern-DIRDIRST (Z) מול הכיוון הנבנה למטה.

פורוזיות, בעיה נפוצה בשקעי מיטה אבקת ופירוק אנרגיה מכוונת, מפחיתה את יכולת הנטלעת העומס ומשמשת כאתרי סדקים תחת לחץ מגע מחזורי. רמות נקבוביות אופייניות נעות מFLT:05% בתנאים מבוקרים בצורה גרועה. פורס ליד פני השטח יכול לקריסה תחת עומס מחוספס, לייצר מכתשים המזרזים שומן, כגון נביחות ונפיחות, 000, 000, 000, מושפע מאוד על ידי טמפרטורות גבוהות של חום, 000.

מתחנן ולבוש מכניזם בנספחים

ללבוש Abrasive

ללבוש Abrasive מתרחש כאשר חומרים קשים או חלקיקים פסולת נמתחים דרך פני השטח הרכה יותר.ברכיבי AM, חלקיקים אבקה לא מזוהים (למשל, Ti6Al4V או נירוסטה 316L) שנשארים מחוברים באופן רופף יכול להימחק במהלך סלד ופעולה כמו abras שליש גוף.

ללבוש אדמדן

ללבוש אדהשטיבי מונע על ידי השקיה הקרה המקומית על ידי יצירת קשר עם אספרנס. האנרגיה של משטחים מתכתיים בנוי כמו משטחים מתכת בנוי, בשילוב עם זיהום אבקה מיושנת, יכול לקדם סרטים העברה. בפולימרמרמר AM, כגון ייצור מפואר (FFF), סלילת השכבות הבין-שכבות התחתון פירושה כי מתחים היא עלולה לגרום העברה חומרית בין שכבות, וכתוצאה מכך העברה גסה לדלפקים לדלפקים לשבר זה הוא בעיקר כדי למנוע התקפי התנהגות בעייתית.

עייפות (Pitting and Spalling)

בגלגול או oscillating אנשי קשר, מחזורי מתח תת-קרקעי מובילים לסדקים, לעתים קרובות על סף סדקים או גבולות סטרלינג חלש.הסדקים propagate מקבילים על פני השטח, ובסופו של דבר גורם חומר לשפוך. עבור AM הילוכים ונושאים, תוך נביעת החיים יכול להיות 20–50% יותר מאשר רכיבים מקבילים ללא אופטימיזציה.

ללבוש קורוזי ו-Oxidative ב AM Environments

רכיבים AM רבים פועלים בסביבות אגרסיביות - תאים חלליים, עיבוד כימי, או שתלים ביו-רפואיים.שטח פני השטח הגבוה של משטח AM גס מגביר את שערי קורוזיה, ואת התאים הגלקטיים שנוצרו בין שלבים שונים יכול להאיץ את ההתקפה המקומית. Oxidative ללבוש בטמפרטורות גבוהות (למשל, בסגסוגת cobalt-chum) מושפע על ידי קומפקטית הגנה ⁇ m יכול להיות מופחתת זה פחות.

בחירת חומרים לביצועים הטריבולוגיים ב AM

מתכת וכלולים

מתכות AM Common כוללות ⁇ טיטניום (Ti-6Al-4V), פלדות אל-חלד (316L, 17-4PH), פלדה כלי כלי (H13, מרינג פלדה), וסופר-כלוי המבוססים ניקל (אינטרול 718, 625) כלי ההשתלה שלהם משתנה באופן נרחב.

פולימרים ו- Composites

FFF ו-SLS לייזר סלקטיבי (SLS) מייצרים חלקים מפולימיד (PA), PEEK, PEKK, פוליקרבונט, וחיזוק סדקים (פחמן או מלא זכוכית) מראה התנגדות לביש מעולה וחיכוך נמוך אפילו ללא סיכה, אבל נקודת ההמיסה הגבוהה שלו דורשת שליטה זהירה.

Ceramics ו- Cermets

AM של קרמיקה (למשל, אלומיניום, zirconia) ו-cermets (WC-Co) מתקדם, אבל אתגרים עם סדקים וגינוי מגבילים יישומים tribological הנוכחיים. שיטות המבוססות לייזר דורשות preהתחממות למזער זעזוע תרמי.לאחר הדפסה, קרמיקה מציעים קשיחות גבוהה והתנגדות כימית, מה שהופך אותם מתאימים לצריפים עמידים ומת.

אסטרטגיות לאתגרים הטריביולוגיים של Mitigate Tribological Challenges

טיפול פנים ו-Cotings

עיבוד פוסט הוא חיוני עבור רכיבים AM רבים המיועדים לשירות tribological.טכניקות נפוצות כוללות:

  • <חזק>Surface ללטש: מכני, כימי או שיטות אלקטרוכימיות להפחית את החוספס ל <1 μm Ra, הורדת חיכוך ולבוש.
  • (FLT:0) Laser פני השטח remelting: FLT:1) סריקת לייזר שנייה ממיס שכבת משטח דק כדי לחסל את הירוסוס ואת הגניציה מיקרו-מבנה, עלייה קשה ב 10-30%.
  • (FLT:0) ציפויים קשים: FLT:1; נפילה פיזית (PVD) של טיN, CrN, או DLC מפחיתה מחסנים ל-0.2 ומשפרת את ההתנגדות על ידי פקודות גודל.
  • (FLT:0) ציפויים מפוארים:FLT:1 MoS2, WS2, או ציפוי מבוסס PTFE לספק כוח הרהר נמוך בממשק, במיוחד מועיל בהתאוששות יבשה או גבול.
  • (ב) ⁇ :0) ⁇ ו ⁇ : טיפול בפלישה 1 (Dufffusion) משפר את קשיות פני השטח ואת עמידות העייפות לחלקים של פלדה AM.

אסטרטגיות לLobrication

סיכה נכונה היא לעתים קרובות ההתערבות הפשוטה ביותר. עבור AM רכיבים, את העמידות גבוהה משטח יכול לעכב היווצרות של סרט סיכה מתמשך.שימוש שמנים עם סטיות גבוהות יותר או הוספת תוספת מדכא קיצוני (EP) תוספים עוזר לשמור על הפרדה. Solid lubricants, כגון גרפן או MoS2, יכול להיות מוטבע על פני השטח או אג"ח כמו סרטים אמבריים לחלוטין, כמו ציפוי טבעי.

אופטימיזציה עיצובית ל Tribology

שילוב חשיבה טריבולוגית בשלב העיצוב מניב יתרונות משמעותיים.אסטרטגיות עיצוב מפתח כוללות:

  • (ב) בחירה באוריינטציה:0Buildכיוון:FLT:1; Orient Critical חיפוי פני השטח לחוד החנית לכיוון הבנייה כדי למזער את החוספס העליון ולהמקסים את עוצמת השכבות.
  • (FLT:0) ערוצי קירור מתקדמים:FLT:1אנדרה במתכת AM, שילוב ערוצי סיכה ישירות לתוך הרכיב מפחית את הטמפרטורות התפעוליות ומשפר את ההפצה סיכה.
  • (ב) ,0) מאגרים ומרקמים: אנדרל 1 (ראה: ⁇ ) הדפסה מיקרו-דיונים או grooves על פני השטח שפועלים ככיסים סיכה, במיוחד יעיל בתנאי סיכה מרעב.
  • (ב) ⁇ :0) מבנים: FLT:1 באמצעות חומרים מרובים או פורוזיות כיתה להתאים את העמידות פני השטח ואת הקשידות באזורים שונים של רכיב.
  • אופטימיזציה:0 (Topology Optimization:FLT:1) צמצום משקל תוך שמירה על נוקשות יכול להוריד את הלחץ מגע בממשקים, שיפור בעקיפין בחיים.

בקרת פרמטר

פרמטרים ב-מעבדים משפיעים באופן דרמטי על פני השטח הסופי ואיכות תת-קרקעית.עבור אבקת לייזר היתוך, הפחתת גובה שכבתי (למשל, מ 60 עד 30 מיקרומטר) מפחיתה את פני השטח עד 40%.לכוח לייזר, מהירות סריקה, ו-Taking מצמצם את הנפיחות ואת הלחץ ה-Prezzual.

המונחים: Specific Tribological Considerations

חללי תעופה

רכיבים במנועי מטוסים ומכשירי נחיתה חווים עומסים גבוהים, טמפרטורות גבוהות וסביבות אגרסיביות.לדוגמה, נביחות דלק AM חייבות לעמוד בפני שחיקה וחמצן.מאטים כגון ציפויי מחסום תרמיים המבוססים על קרמיקה (TBCs) משמשים לעתים קרובות כדי להפחית את רמות הלבוש התרמית.

רכב

(ההפצה של ציוד, נושאים ורכיבי בלמים באמצעות AM היא עכשיו נפוצה.עבור חלקי ייצור, ביצועים תלת-חמצני חייב להתאים או לעלות על חלקים קונבנציונליים של סט / מאצ'ין, משקל האור באמצעות אופטימיזציה טופולוגיה מפחית את כוחות אינרציה ומגע, אבל גם שינויים בדפוסי לבוש.בפולימר, כגון הילוך PAK 12 עבור יישומים נמוכים, ללבוש חיים נשלטים על ידי חיכוך חום הראו חיכוך (FEEFFate) או גרף (מתאים סימולציה) שיפור ביצועים ויזואליים (FEEFFED) גרף 1PTFEEFIVE) גרף (מחדש) גרף (מחדש) גרף 1PTFEEFEEFEEFIVE) גרף (מחדש) גרף 1PTFEEFFED DEEFFED DEEFEEFIVE) גרף (מחדש) גרף (מחדש) גרף (מחדש) גרף: גרף (מחדש) גרף (מחדש) גרף (מחדש) גרף: גרף: גרף: גרף: גרף: גרף (מתאים גרף: גרף גרף: גרף 1PTFFED גרף 1PTFFED גרף

ביו-רפואי

השתלות (hip, הברך, שיניים) תועלת ביכולת של AM ליצור מבנים ⁇ אשר מעודדים אוסיטוינרטוטציה.עם זאת, הממשק הטריבולוגי (למשל, ראש מוסרי נגד כוס אצטברית) דורש ללבוש נמוך כדי למנוע דלקת מפרקים הנגרמת על ידי סגסוגת טיטניום עם DLC או באמצעות קו מחסנית (Ultratabular linerulation) בדרך כלל להפחית את רמות ה-fic של Avic).

ציוד תעשייתי ותעשייתי

AM ערוצי קירור תואמים בתבניות הזריקה משפרים את הניהול התרמי, אבל פני השטח עובש לעתים קרובות סובלים מלחיצת שחיקה חודרנית מזין פלסטיק. ציפויים קשיחים או ניטריינג מוחלים להאריך את חיי הכלי.לבוש-resistant להכניס כלים עבור כלים חיתוך ניתן להדפיס מ WC-Co או cermets.היכולת לשלב קטעים מגניבים ישירות לתוך הפחתת מתחמי חום, מכווץ מכתש.

כיוונים עתידיים ומחקר מתמשך

תחום הטריבולוגיה בייצור תוספים מתפתח במהירות.מספר אבני מחקר מבטיחות שמטרתו לסגור את פער הביצועים עם חלקים המיוצרים באופן קונבנציונלי:

  • (FLT:0) בשליטה של טריבולוגיה: קיד 1 (FLT:1 ⁇ חיישנים תוך הדפסה כדי מעקב אחר חיכוך וטמפרטורה על פני השטח לבנות, המאפשר התאמה בזמן אמת של פרמטרים.
  • (FLT:0) חומרים ממוספרים ותפקודיים: אנדרל 1) חלקים הדפסה עם שכבת משטח קשה עם לביש קשיח ובסיס קשיח, הימנעות מהצורך בציפוי נפרדים.
  • (FLT:0) סגסוגת מתכת מסגסוגת מתכת:FLT 1 1 לפתח גלי מתכת עם סיכה מוצקה (למשל, גרפיט, MoS2) אשר משוחררים במהלך ריצוף.
  • (FLT:0) למידה של Machine עבור חיזוי טריבולוגי: ההרחבה 1 (FLT:1) באמצעות נתונים מאלפי בדיקות ללבוש כדי לחזות פרמטרים אופטימליים של בנייה ושילובים חומריים עבור יישומים תלת-חמצני ספציפיים.
  • (FLT:0) תהליכי היבריידיד: FLT:103) שילוב AM עם שלבים עיבוד לאחר כגון חיכוך לעורר עיבוד או טיפול השפעה קולי כדי לחדד את המיקרו של משטח ולהפחית את הירוספיריות.

מאמצים משותפים בין טריבולוגים ומהנדסי ייצור תוספים חיוניים לקביעת שיטות בדיקה ולפתח הנחיות עיצוב.כפי שהטכנולוגיה מתבגרת, אתגרים תלת-ביולוגיים יהפכו פחות ממחסום לאימוץ כבר, רכיבים בעלי ערך גבוה כמו נושאי אוויר ואסתטיקה שיניים מיוצרים בהצלחה באמצעות AM עם ביצועים תלת-חמצנייים שעומדים או עולים על מפרטים.

מסקנה

אתגרים Tribological בייצור תוספים הם רב-פנים, הנובעים משטחים גסים מטבעם, מבני מיקרו-מבנה אנזוטרופיים, פגמים פנימיים של רכיבים שנוצרו כ-rection ו- Wear מנגנונים - אימפולסיבי, דביק, עייפות, וקורטוזיטיבי - יכולים לפענוח ביצועים והגבלת החיים התפעוליים.