הבנת ניהול התרמומלי ב-Dmls Processes

הבנת ניהול התרמומלי ב-Direct Metal Laser Sintering Processes

מתכת ישירה לייזר Sintering (DMLS) הוא אחד הטכנולוגיות החזקות ביותר לייצור רכיבים מתכת צפופים, מורכבים ישירות מ-CAD נתונים. לייזר ממיס באופן סלקטיבי אבקה מתכת על ידי שכבה, חלקיקים מבהבים לתוך גיאמטריה מוצקה.עם זאת, ההצלחה של כל DMLS לבנות hing על ניהול תרמי - שליטה שיטתית של ייצור חום, הפצה, ופיזור לאורך כל התהליך ללא לחץ תרמי, לחץ חיצוני, לחץ מכני, לחץ מכני מתקדם של שיטות בקרה, לחץ מכנית, לחץ דם, לחץ מכני, לחץ דם קפדני, לחץ מכני, לחץ מכני, לחץ מכני.

מהו ניהול התרמומלי ב-DMLS?

ניהול תרמי ב DMLS מתייחס לאסטרטגיות ומערכות המשמשות להסדיר את הטמפרטורה על פני סביבת הבנייה - מנקודת לייזר למיטה אבקה, צלחת הבנייה, ואת האווירה התאית.המטרה היא לשמור על פרופיל תרמי יציב, צפוי כי minimises ⁇ s תלולים ומונע הצטברות חום מופרזת. in DMLS, הלייזר מספק אנרגיה מקומית אינטנסיבית, ממבנה קטן (בדרך כלל) הופך במהירות מיקרואקטיבית של חום כהה (מטווח) במהירות של 50 מטרים).

מעבר לבריכה ההיתוך, חום זורם לתוך האבקה שמסביב, בעבר שכבות מוצקות, ואת פלטפורמת הבנייה. כי המיטה אבקה פועלת כמו אינסולטור תרמי יעיל (הפונקציונליות -0.1-0.5 W / mK עבור אבקות מתכתיות לעומת 10-50+ W / mK עבור מתכת מוצק), חום נוטה לצבור באזור ההיתוך, ⁇ תרמיל ⁇ s.

שלושה מדדי זמן מרכזיים שולטים בהתנהגות תרמית ב- DMLS:

(ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
(FLT:0)Layer-by-layer חום הצטברות:1) - מעל עשרות עד מאות שכבות, הטמפרטורה הגדולה של החלק עולה אלא אם כן קרירה באופן פעיל.
(ב) ⁇ :0) לאחר בניית הקירור מחדש של ה- 1:1 – לאחר השלמת הבנייה, כל החלק מתקרר למעום, עלול לגרום ללחצים נוספים אם לא הצליחו.

תוכנית ניהול תרמי יסודית מתייחסת לכל שלוש פעמים באמצעות עיצוב ציוד, בחירת פרמטר, משוב בזמן אמת.

עקרונות של העברת חום ב DMLS

(ה) להעריך טכניקות ניהול תרמיות, יש להבין את שלושת מצבי העברת החום הקיימים ב DMLS: התנהגות, הדבקה וקרינה.FLT:0ConductionFLT:1 שולט בתוך השכבות המוצקות ודרך פלטפורמת הבנייה, ההתנהלות התרמית של אבקה היא נמוכה, אך ברגע שהאבקה נמסת ומוגנת ביותר לשכבה צפופה, הופכת לשכבה העיקרית של חום לכדי ירידה של 3:4 או ירידה במשקל).

המדד העיקרי לניהול תרמי הוא ה-FLT:0thermal ⁇ FLT:1 (שינוי זמני למרחק יחידה) גבוה מניע מתחים חיים גבוהים ויכול לגרום לוריאציות מיקרו-מבנה.האסטרטגיה סריקה - כלומר, הסדר והדפוס שבו לייזר חושף את האבקה - משפיע ישירות על ה ⁇ האלה.

מושג בסיסי נוסף הוא (FLT:0) הצטברות חום (FLT:1 כפי ששכבות מוסיפים, החלק הופך עבה יותר, צמצום היעילות של התנהגות חום לצלחת הבנייה.השכבות העליונות חווה אפוא טמפרטורה גבוהה יותר בסיס, אשר יכול לשנות דינמיקת בריכות התכה (למשל, בריכה של התכה רחבה יותר, קצב איחוד חזק אחר) ללא פיצוי, זה מוביל ל- zaxis רכוש.

טכניקות ניהול ארסיות

1.להעדיף את פלטפורמת ה- Build

העלאת הטמפרטורה של פלטפורמת הבנייה (לעתים קרובות עד 80-200 מעלות צלזיוס בהתאם לחומר) מפחיתה באופן משמעותי את ה ⁇ התרמית בין השכבות הראשונות לבין הצלחת.זה מקטין את הסיכון של חלק או דלמנטום בבסיס. Preהתחממות גם מפחיתה את קצב הקירור של בריכת ההיתוך, אשר יכול למנוע מיקרו-מבנים קשים, מתפתלים בסגסוגת מסוימת.

בקרת לייזר ומהירות סריקה

כוח לייזר קובע ישירות את האנרגיה של האזור ליחידה (דחיסות אנרגיה) נמוך מדי כוח מוביל להמיסה לא שלמה (חוסר היתוך של היתוך); גבוה מדי כוח גורם חימום יתר, כדוריות, וצטברות חום מוגזמת.הכוח האופטימלי תלוי בחומר, שכבה, עובי, וסורק אסטרטגיה. רבים DMLS המודרנית מעסיקה FLT:0real-time-Power ModulationFLT 1 - לדוגמה, כדי להפחית את המהירות הגבוהה ביותר של דיוורידציה לייזר, כלומר, באופן דומה, כלומר, כלומר, כלומר, כדי להתאים את רמת תפקוד לייזר משתנה באופן דומה.

3.אסטרטגיות סקנדי

נתיב הלייזר בכל שכבה הוא אחד מהמבולרים המשפיעים ביותר לניהול תרמי.אסטרטגיות נפוצות כוללות:

(ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
(ב) [15] ,0) ,לקבלת פסים (FLT:1) - שכבות חלופיות בין 0° ל-90 מעלות (או זוויות אחרות) כדי להפיץ כיוון חום ולפרק נתיבי לחץ ארוכים וסטרייטים.
(FLT:0) איסל סריקת קרקע:1 - כל שכבה מחולקת לכיכרות קטנות (למשל, 5×5 מ"מ) סרוקנת בסדר אקראי בתוך האי, אז האיים עצמם מרוקנים ברצף מפוספס.
(ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

בנוסף, כמה מערכות מאפשרות ל- 0 (0) ל-le-to-layer רוטציהFLT:1 (למשל, משיכת דפוס האי ב- 30 מעלות כל שכבה) להפצת חום הומוגנית נוספת.הבחירה של אסטרטגיית סריקה היא תלויה בחומר רב - ⁇ אלומיניום, למשל, רגישים יותר להצטברות חום ולתועלת מסריקות קצרות יותר ופרקטיקות אגרסיביות בין-שכבות.

Inert Gas Atmosphere ו Flow control

זרימה יציבה של גז אינרטי (רגון או חנקן) על פני מיטת האבקה משרתת תפקידים תרמיים מרובים. ראשית, זה מסיר מתכת מחוסמת, ספאר, ו condensate שיכול להפריע לקליטת לייזר.II, זה מקרר את השכבות העליונות על ידי מניעת זיהום כפוי, עוזר להפחית את טמפרטורות השיא ולשלוט בגודל הבריכה.

מערכות קירור Active Cooling

בעוד שרוב מכונות DMLS מסתמכות על קירור פסיבי דרך קירות הבנייה והתאים, מערכות בפורמט גדול או רב-תועלת גבוהה משלבות את FLT:0אקטיבי קירורFLT:1 .זה יכול לערב צלחות בנייה נוזליות עם ערוצים פנימיים המפיצות טמפרטורה מבוקרת, או החלפת חום שמניב חום באופן פעיל מהאווירה התאית.

אתגרים בניהול התרמומל

למרות כלים זמינים רבים, ניהול תרמי ב DMLS נשאר מאתגר מבחינה טכנית.אחד הנושאים המתמשכים ביותר הוא (FLT:0) לחץ תרמי ועיוות FLT:1 [מתעוררים מ ⁇ הטמפרטורה הגדולה בין הבריכה לבין המתכת המוצקה שמסביב. כאשר חוזים חומריים מוצקים מציפים, הוא מושך על שכבות צמודות, יצירת מתחים פילים.

אתגר גדול נוסף הוא (FLT:0) הצטברות התחממות במגוון גדול של Buildalph:1 (כפי שהחלק גדל בגובה, ההתנגדות התרמית מן השכבה החמה ועד למשטח הבנייה הקרנית עולה.השכבות המובילות חווה כך טמפרטורה גבוהה יותר, אשר משנה את מידות בריכת ההיתוך ואת תנאי ההחזקה של זמן, ללא בקרת פרמטר משתנה, זה מוביל לסחף ממדי (למשל, חלקים שגדלו מעט גבוה יותר בתכונות של z-pconsis) ו-Fconsis מהירות, עבור פרמטרים, פרמטרים (aconsis), פרמטרים) ו-Fconsis מהירות פרמטר משתנה, פרמטרים, פרמטר קבוע, פרמטרים, הוא פרמטרים, עבור פרמטר משתנה, כלומר, פרמטר משתנה, פרמטר משתנה, או פרמטר קבוע, כלומר, עבור פרמטר זמן פרמטר קבוע, הוא פרמטר זמן, כלומר, עבור פרמטר משתנה, הוא חלק) עבור פרמטר משתנה, עבור פרמטר משתנה, הוא פרמטר קבוע, עבור פרמטר משתנה, עבור פרמטר משתנה, עבור פרמטר משתנה, הוא פרמטר משתנה, עבור פרמטר משתנה, כלומר, פרמטר זמן פרמטר משתנה, כלומר, הוא פרמטר משתנה, הוא

(FLT:0) Recording and ReproducibilityFIRLT:1) הם גם חששות.ההיסטוריה התרמית של חלק DMLS תלויה בגורמים רבים: תנודות אבקה, גיל מכונה, יציבות גז ואפילו טמפרטורת החדר המבולחת.שני לכאורה זהה יכול להניב התפלגות שאריות שונות אם ניהול תרמי שונה.

השפעה של ניהול עשיר על איכות חלקית

ההשלכות של ניהול תרמי עני מתבטא במספר קטגוריות פגומות:

(FLT:0) לחצים וסובלים מחדש ועיוותים:1hil - הפגם הנפוץ ביותר, המוביל לאי דיוקים תלת-ממדיים הדורשים הקלה בלחץ לאחר בנייה או אפילו גרד.
(FLT:0)PorosityFLT:1 - חוסר היתוך pores (irregular) או מלכודת גז (spherical) שניהם החמירו על ידי בריכות נמס לא יציבות שלא מצליחות לרטוב את שכבת הבסיס או את גז המלכודת.
(FLT:0)CrackingofLT:1 - סדקים חמים (פצח solidification) מתרחשים כאשר מתח תרמי עולה על הטוהר של החומר בטמפרטורות גבוהות.זה בעייתי במיוחד עבור ⁇ אלומיניום גבוהה סטריאנט (למשל, 6061, 7075) וסופרויפים.
(FLT:0Microstructural inhomogeneityFalLT:1 ⁇ s of קירור rate לייצר ⁇ s של גודל דגנים והתפלגות שלב, צמצום חיי העייפות והתנגדות קורוזיה.
(ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

לעומת זאת, (FLT:0) ניהול תרמי מספק את מאגר 1 של אלב: צפיפות כמעט מלאה (>99.9%), מיקרו-מבנה בסדר גודל אחיד (למשל, גרגרי טורה מוכוונים בכיוון עם מינימלי אנזוטרופי), סנפיר גבוה ותשואות נמסות עמידה בתקני בקרה אינפרא אדום, וסובלנות רבת-ממדית (005 מ"מ טיפוסית) ליישומים לא-אוויריים, כולל רכיבי לייזר פעילים, כולל רכיבי בקרה מסוג SLM.

מעקב בזמן אמת ובקרה הסתגלות

דחיפה לתעשיית 4.0 עשתה מעקב אחר אבן הפינה של ניהול תרמי מתקדם של DMLS. כמה טכנולוגיות חיישן חלק מועסקים:

(FLT:0)PyrometersFLT:1 - למדוד את הקרינה אינפרא אדום הנפלטת מן בריכת ההיתוך כדי להעריך את הטמפרטורה.שיעורים טיפוסיים של 10-100 kHz מאפשרים התאמה לקטור.
(FLT:0) מצלמות אינפרא אדום מהירות במהירות גבוהה (FLT:1) - ללכוד מפות תרמיות מלאות של המיטה אבקה (30–100 fps) נתונים אלה יכולים לזהות כתמים חמים, חימום לא מספיק, או דפוסים ספאטרים מעידים על סחף פרמטר.
(FLT:0) ThermocouplesFLT:1 - מוטבע צלחת הבנייה או הזרוע האחורית לפקח על מגמות טמפרטורה גדולות.
(ב) חיישנים פליטה:0) חיישנים פליטה אלקטיביים (Acoustic פליטת פליטות) 1 (FLT) – מזהים את הצליל של קידוד וקידוד פצח, אשר תואם עם ⁇ תרמיים.

אלגוריתמי בקרה הסתגלות משתמשים משוב חיישן כדי לשנות את כוח הלייזר, מהירות סריקה, או אפילו אסטרטגיה סריקה באמצע השכבות.לדוגמה, אם טמפרטורת בריכת התכה עולה מעל סף, המערכת יכולה להפחית את כוח הלייזר עבור הווקטור הבא או להציג פרק זמן קצר (idle) כדי לאפשר לאזור קריר.

המונחים: specific thermal Considerations

הפרמטרים לניהול התרמומטר חייבים להיות מותאמים לנכסים התרמופיזיים של החומר.לדוגמה:

(FLT:0) ⁇ טיטניום (Ti-6Al-4V)FLT:1 - תגובתיות גבוהה עם חמצן, כך כיסוי גז אינרטי הוא קריטי גם, התנהגות תרמית נמוכה יחסית (~ 7 W/mK) פירושו פירוק חום הוא עני; מהירויות איטיות יותר (אך גבוה יותר כוח) משמש לעתים קרובות כדי למנוע חוסר של היתוך.
(FLT:0) סגסוגת אלומיניום (אלסיום 10 מg, אל-מאג-Sc)FLT:1 - רפלקטיביות גבוהה (עליונות גבוהה - 10-20%) דורש כוח לייזר גבוה יותר או חשיפה מרובה. מוליניום של מוליניום מוליכות תרמית גבוהה (140 W/mK) מתפשטת חום במהירות, צמצום ⁇ אבל גם עושה את בריכת גז רגישה לזרימות גז רגישות.
(FLT:0)Nickel Superalloys (Inconel 718, 625)Figer 1LT - כוח גבוה בטמפרטורה גורם להם נוטה לפצח חם. פלטפורמה של בנייה מחוממת (150-200 מעלות צלזיוס) וסריקות סריקה זהירה (למשל, 67° סיבוב עם גודל אי 5 מ"מ) נפוצים כדי להפחית את הלחץ.
(FLT:0) פלדות טוול (H13, 18Ni300 ממרינג)FLT:1 - תוכן פחמן גבוה יכול להוביל לפצח אם שיעורי הקירור גבוהים מדי; preהתחממות ואט סריקה משמשים לשליטה היווצרות מרטן.

גליונות נתונים חומריים ממוכרים אבקה מספקים לעתים קרובות ערכות פרמטר המומלצים, אך יישום מוצלח תמיד דורש אימות תהליך עם ניטור תרמי כדי להסביר את וריאציות מכונה-למכונה.

כיוונים עתידיים ב DMLS Thermal Management

מחקר וחדשנות בתעשייה ממשיכים לדחוף גבולות ניהול תרמיים.כמה מגמות מתעוררות ראוי לתשומת לב:

(FLT:0) מערכות Multi-laser LT:1 ; שניים, שלושה או אפילו ארבעה לייזרים לסרוק במקביל אזורים שונים של אותה שכבה. ניהול הירומל הופך מורכב יותר כי קלט חום יכול אינטראקציה.עם זאת, עם אסטרטגיות סריקה מתואמות (למשל, סריקת אזורים בדפוס מחוספס), בניית שיעורי יכול להגדיל 3-5x תוך שמירה על איכות.
(FLT:0) ייצור ממולאים עם מערך מיקרו-ערוצים 1 - עיצובים קירור מתקדמים שמסלקים חום בצורה יעילה יותר מנפח הבנייה, המאפשרים חלקים גבוהים יותר ללא בנייה חמורה.
(FLT:0) למידה מקנה עבור אופטימיזציה פרמטרים אופטימלית FIRLT:1) - באמצעות נתוני טמפרטורה היסטוריים כדי להכשיר מודלים החיזוי כוח לייזר אופטימלי ומהירות סריקה עבור כל שכבה, להסתגל לגיאומטריה חלק חומר בזמן אמת.
(FLT:0) בטיפול חום-מעבד (FLT:1) - הטמיע מקור חום משני (למשל, מערך מנורה קרוב-אדום) אשר מחמם לאט את כל המבנה ככל שהוא גדל, ביצוע שכבת לחץ-relief anneal על ידי שכבה.
(FLT:0) מערכות מורכבות-סובטיביות של תוספי מזון (Hybrid) 1 (שלב DMLS עם ספיןדל מתפתל מאפשר חיתוך גס של כל שכבה לאחר ההיתוך, אשר מסיר חומר בעל חום ואפסוס את קו הבסיס התרמי לפני השכבה הבאה.

בנוסף, תעשיית ייצור התוספים עובדת לקראת קופונים סטנדרטיים של בדיקות תרמיות (למשל, ASTM E2298) וכלים סימולציה שיכולים לחזות שדות תרמיים על פני גיאוגרפיות מורכבות לפני הבנייה הראשונה. תאומים דיגיטליים אלה מאפשרים למהנדסים להתאים את המבנים ואת אסטרטגיות סריקה כמעט, לחסוך זמן וחומר.

מסקנה

ניהול תרמי אינו רק פונקציה תומכת ב- DMLS - זה פרמטר תהליכים מרכזי הקובע איכות חלקית, עקביות ותשואות הייצור.מחץ את הפלטפורמה לבנות כדי להתאים את השליטה ה-loop סגורה של הלייזר, כל טכניקה שואפת לזרז ⁇ sics ולשמור על תנאי ניהול יציבים.פיסיקה של התכה מהירה, התנהגות באמצעות אבקה, והצטברות חום הדורשים איזון זהיר על ידי יצרני חומרים גמישים של זמן סטנדרטיים של תכונות יצירתיות וכושר ניטור יעיל יותר.