Трибологические проблемы аддитивного производства и 3d-печатных компонентов

Понимание трибологии в аддитивном производстве

Трибология, наука о трении, износе и смазке, является критическим фактором, когда компоненты аддитивного производства (AM) вступают в эксплуатацию. В отличие от традиционно обработанных деталей, 3D-печатные поверхности часто демонстрируют высокую шероховатость, направленную микроструктуру и внутреннюю пористость, которые непосредственно изменяют механику контакта. Эти различия могут привести к повышенным коэффициентам трения, ускоренным износам и преждевременному отказу, если не учитывать их при проектировании и постобработке.

Процесс нанесения слоя послойным способом вносит уникальные поверхностные топографии. Каждый слой оставляет ступенчатую текстуру, а прочность межслойной связи редко изотропна. Следовательно, трибологические характеристики компонента АМ могут значительно варьироваться в зависимости от ориентации конструкции, высоты слоя и истории термического воздействия. Например, шестерня, напечатанная со слоями, параллельными направлению скольжения, может проявлять более низкое трение, чем у перпендикулярного слоя, но оба будут отличаться от механизированного шестерни одного и того же материала.

Внутренние дефекты, такие как отсутствие пористости синтеза или нерасплавленные частицы порошка, действуют как источники стресса и износа мусора. Во время скольжения эти дефекты могут блестеть, высвобождая твердые частицы, которые вызывают абразивный износ трех тел. Остаточные растягивающие напряжения, распространенные в процессах на основе лазера, еще больше ослабляют подповерхностные области, способствуя расслоению усталости. Понимание этих трибологических проблем имеет важное значение для расширения принятия AM в требовательных приложениях, таких как аэрокосмические, автомобильные и биомедицинские имплантаты.

Грубость поверхности и микроструктура в компонентах AM

Поверхностная топография

Части АМ обычно имеют шероховатость поверхности (значения РА) в диапазоне от 5 до 30 мкм по сравнению с 0,1-1,6 мкм для обработанных поверхностей. Эта шероховатость возникает из-за эффекта лестницы, частично расплавленных частиц, прилипающих к внешней поверхности, и опорных остатков. Высокая шероховатость поверхности увеличивает реальную площадь контакта и локальные концентрации напряжений, что, в свою очередь, повышает трение и износ. Для скользящих контактов частота износа может быть в 5-10 раз выше, чем в обычных аналогах, если не применяется постобработка.

Поверхностная текстура также влияет на режимы смазки. При граничной или смешанной смазке шероховатые поверхностные долины могут улавливать смазку, но пики могут проникать в пленку, вызывая контакт металла с металлом. В полностью затопленных условиях шероховатость изменяет толщину эластогидродинамической пленки, часто уменьшая ее. Следовательно, трибологическая конструкция должна учитывать по мере строительства шероховатость или указывать этапы постобработки, такие как вибрационная отделка, химическая полировка или лазерная переплавка.

Микроструктурная анизотропия и дефекты

Быстрое затвердевание и тепловой цикл в AM создают неравновесные микроструктуры с тонкими дендритными зернами, столбчатым ростом зерна и, в металлах, мартенситной или байнитной фазами. Эта анизотропия означает механические свойства - и, следовательно, износостойкость - различаются вдоль направления сборки (Z) по отношению к направлениям плоскости (X,Y). Например, твердость может быть ниже в направлении Z из-за более слабого межслойного соединения, что приводит к предпочтительному износу поверхностей, перпендикулярных плоскости сборки.

Пористость, распространенная проблема в слиянии порошкового слоя и направленном энергетическом осаждении, снижает несущую способность и служит местами инициирования трещин при циклических контактных напряжениях. Типичные уровни пористости варьируются от <0.5% in optimized processes to >5% в плохо контролируемых условиях. Поры вблизи поверхности могут разрушаться при скользящей нагрузке, создавая кратеры, которые ускоряют износ. Износ усталости, такой как питтинг и разбрызгивание, сильно зависит от плотности недр. Трибологические тесты высокого цикла показывают, что стали AM с >2% пористостью имеют усталость на порядок короче, чем кованые аналоги.

Трение и механизмы ношения в аддитивных компонентах

Абразивный наряд

Абразивный износ возникает, когда твердые асперсии или частицы мусора просачиваются через более мягкую поверхность. В компонентах AM нерасплавленные частицы порошка (например, Ti6Al4V или нержавеющая сталь 316L), которые остаются слабо прикрепленными, могут отсоединяться во время скольжения и действовать как абразивы третьего тела. Кроме того, окисленные поверхностные слои при плавлении электронного пучка могут производить твердые частицы оксида. Высокая начальная шероховатость означает, что даже после взлома поверхность может сохранять острые пики, которые абразируют противофас. Для полимеров, таких как PA12 или PEEK, интерфейсы слоя к слою могут деламинатировать, создавая тромбоцитоподобный мусор, который ускоряет абразивный износ.

клейкое платье

Клейкоизнос приводится в действие местной холодной сваркой при контакте с аспертностями. Высокая энергия поверхности как-построенных металлических поверхностей в сочетании с загрязнением из остаточного порошка может способствовать передаче пленок. В полимерной АМ, такой как изготовление сплавленной нити накала (FFF), нижняя межслойная сцепление означает, что сдвиговые напряжения могут вызывать передачу материала между слоями, что приводит к грубой передаче на противолицо. Это особенно проблематично в подшипниках и втулках, где периоды работы должны тщательно контролироваться, чтобы избежать захвата.

Усталость (прическа и блеск)

В качающих или колеблющихся контактах подповерхностные циклы напряжения приводят к инициированию трещин, часто при порах или слабых межслойных границах. Трещины распространяются параллельно поверхности, в конечном итоге вызывая разлив материала. Для AM-шестерен и подшипников жизнь в яме может быть на 20-50% короче, чем эквивалентные кованые компоненты без оптимизации обработки. Усталостная износостойкость улучшается при горячем изостатическом прессовании (HIP) для закрытия пор и при тепловых обработках, которые гомогенизируют микроструктуру.

Коррозионное и окислительное ношение в AM-среде

Многие компоненты АМ работают в агрессивных средах — аэрокосмические моторные отсеки, химическая обработка или биомедицинские имплантаты. Высокая площадь поверхности шероховатых АМ поверхностей увеличивает скорость коррозии, а гальванические клетки, образующиеся между различными фазами, могут ускорять местную атаку. На окислительный износ при повышенных температурах (например, в кобальтохромовых сплавах) влияет защитная шкала оксида. Шкалы, производимые АМ, могут быть менее прилипчивыми из-за пористости, снижая их защитный эффект. Смазка в таких средах должна учитывать как уменьшение трения, так и ингибирование коррозии.

Выбор материала для трибологических характеристик в AM

Металлы и сплавы

Обычные металлы AM включают титановые сплавы (Ti-6Al-4V), нержавеющие стали (316L, 17-4PH), инструментальные стали (H13, мародерная сталь) и суперсплавы на основе никеля (Inconel 718, 625). Их трибологическое поведение широко варьируется. Например, Ti-6Al-4V имеет плохую износостойкость к скольжению из-за высокой адгезии и низкого уплотнения работы, часто требуя твердых покрытий (например, TiN, DLC) для движущихся частей. Напротив, инструментальные стали, обработанные сплавом лазерного порошка, могут достигать твердости > 55 HRC после термической обработки, обеспечивая хорошую стойкость к истиранию. Добавление твердых частиц, таких как TiC или WC, в металлические матрицы (композиты металлической матрицы, MMCs) через AM дополнительно улучшает износостойкость, хотя и за счет повышенной хрупкости.

Полимеры и композиты

FFF и селективное лазерное спекание (SLS) производят детали из полиамида (PA), PEEK, PEKK, поликарбоната и усиленных нитей (углерод- или стекло-наполненных). PEEK показывает отличную износостойкость и низкое трение даже без смазки, но его высокая точка плавления требует тщательного контроля процесса. Стекло-наполненный PA12 уменьшает трение и износ до 60% по сравнению с аккуратным PA. Однако ориентация волокна, вызванная процессом экструзии, создает анизотропное трение: скольжение параллельно выравниванию волокна дает более низкие коэффициенты, чем перпендикуляр. Твердые смазочные материалы, такие как PTFE или графит, могут быть включены в смеси нити, что еще больше улучшает трибологические свойства.

Керамика и серметы

AM керамики (например, глинозем, циркония) и церметы (WC-Co) продвигаются вперед, но проблемы с растрескиванием и уплотнением ограничивают текущие трибологические применения. Методы на основе лазера требуют предварительного нагрева, чтобы минимизировать тепловой удар. После печати керамика обеспечивает высокую твердость и химическую стойкость, что делает их пригодными для износостойких вставок и штампов. Серметы сочетают вязкость металлического связующего с твердостью от керамических частиц, а AM позволяет создавать сложные инструменты.

Стратегии для смягчения проблем, связанных с мистикой

Обработка поверхности и покрытия

Постобработка необходима для многих компонентов АМ, предназначенных для трибологической службы. Общие методы включают:

• Поверхностная полировка: Механические, химические или электрохимические методы уменьшают шероховатость до <1 мкм Ра, снижая трение и износ.
• Лазерная переплавка поверхности: Второе лазерное сканирование плавит тонкий поверхностный слой для устранения пористости и гомогенизации микроструктуры, увеличивая твердость на 10-30%.
• Тяжелые покрытия: Физическое осаждение паров (PVD) TiN, CrN или DLC снижает коэффициенты трения до 0,1-0,2 и улучшает износостойкость на порядки.
• Смазочные покрытия: Покрытия на основе MoS2, WS2 или PTFE обеспечивают низкую прочность на сдвигах на границе, особенно при сухой или граничной смазке.
• Нитридирование и карбюрирование: диффузионные обработки повышают твердость поверхности и усталостную стойкость для стальных деталей AM.

Стратегии смазки

Надлежащая смазка часто является самым простым вмешательством. Для компонентов AM высокая шероховатость поверхности может препятствовать образованию непрерывной смазочной пленки. Использование масел с более высокой вязкостью или добавление добавок экстремального давления (EP) помогает поддерживать разделение. Твердые смазочные материалы, такие как графит или MoS2, могут быть встроены в поверхностные поры или применены в виде склеенных пленок. В полимерных AM самосмазочные материалы, такие как заполненные PTFE нити, полностью устраняют необходимость в наружных смазочных материалах. Для биомедицинских имплантатов (например, AM ацетабулярные чашки), синовиальная жидкость действует как естественная смазка, но шероховатость поверхности все еще должна быть сведена к минимуму, чтобы уменьшить образование износа мусора.

Оптимизация дизайна для трибологии

Включение трибологического мышления на ранних этапах проектирования дает значительные преимущества. Ключевые стратегии проектирования включают:

• Выбор ориентации конструкции: Ориентируйте критические раздвижные поверхности перпендикулярно направлению сборки, чтобы минимизировать шероховатость лестницы и максимизировать прочность между слоями.
• Конформные охлаждающие каналы: в металлическом АМ, интеграция каналов смазки непосредственно в компонент снижает рабочие температуры и улучшает распределение смазочных материалов.
• Смазочные резервуары и текстуры: печать микро-ямочки или канавки на поверхности, которые действуют как карманы смазки, особенно эффективно в условиях голодания смазки.
• Градиентные структуры: с использованием нескольких материалов или градуированной пористости для адаптации твердости и прочности поверхности в различных областях компонента.
• Оптимизация топологии: Снижение веса при сохранении жесткости может снизить контактные напряжения на интерфейсах, косвенно улучшая жизнь износа.

Контроль параметров процесса

Параметры внутрипроцессного процесса резко влияют на качество конечной поверхности и подповерхности. Для сплава лазерного порошка высота слоя (например, от 60 до 30 мкм) уменьшает шероховатость поверхности до 40%. Оптимизация мощности лазера, скорости сканирования и интервала люка минимизирует пористость и остаточные напряжения. Предварительный нагрев платформы сборки уменьшает тепловые градиенты, улучшает межслойное сцепление и уменьшает растрескивание. В AM на основе экструзии температура сопла, адгезия кровати и скорость охлаждения влияют на кристалличность и прочность межслойного слоя, что, в свою очередь, влияет на износостойкость. Мониторинг в режиме реального времени (например, тепловизионные или датчики бассейна расплава) может обнаруживать дефекты до их захоронения, что позволяет корректирующие действия.

Специальные трибологические соображения

аэрокосмическая

Компоненты AM в авиационных двигателях и шасси испытывают высокие нагрузки, повышенные температуры и агрессивные среды. Например, топливные сопла AM должны противостоять кавитационной эрозии и окислению. Покрытия, такие как термические барьерные покрытия на основе керамики (TBC), часто применяются для снижения теплового износа. Строгие требования безопасности требуют тщательного трибологического тестирования - усталость от обморока и высокотемпературные испытания на скольжение - до сертификации. Исследования из Наньянского технологического университета показали, что послепроцессное горячее изостатическое прессование может восстановить усталость AM Inconel 718 до почти кованых уровней.

Прототипирование передач, подшипников и тормозных компонентов с использованием AM теперь распространено. Для производственных частей трибологические характеристики должны соответствовать или превышать обычные литые / обработанные детали. Легкий вес с помощью оптимизации топологии уменьшает инерцию и контактные силы, но также изменяет модели износа. В полимерных AM, таких как PA12 шестерни для низкокрутящих приложений, в жизни износа преобладает накопление тепла трения. Добавление наполнителей, снижающих трение (например, PTFE или графит) улучшает производительность. Исследование, опубликованное в Tribology International , показало, что печатаемые FFF передачи PEEK показали скорость износа, сопоставимую с машинизированной PEEK после оптимизации ориентации слоя.

биомедицинский

Пользовательские имплантаты (хип, колено, зуб) выигрывают от способности AM создавать пористые структуры, которые поощряют остеоинтеграцию. Однако трибологический интерфейс (например, головка бедра против ацетабулярной чашки) требует низкого износа, чтобы избежать воспаления, вызванного мусором. Покрытие титановых сплавов AM с DLC или с использованием композитных ацетабулярных вкладышей (UHMWPE-графен) снижает скорость износа. Шероховатость поверхности ниже 0,2 мкм обычно требуется для суставной артикуляции. Обзор смазочных материалов подчеркивает, что сочетание AM с текстурированием поверхности может дополнительно уменьшить трение в протезных суставах.