EN
Snabbare validering av nya material via snabb prototypframställning
Minska utvecklingstiderna för legeringar från månader till dagar
Utvecklingen av nya legeringar har revolutionerats av metallutskrift. Tillverkare har gått över till helt integrerade processer, vilka har minskats från att testas via gjutning, smide och andra processer som tidigare tog flera månader, till validering och upprättande av processer som nu sker inom ett par timmar. Företag kan också enkelt justera sammansättningar, till exempel nickelhalten i superlegeringspulver, mellan olika utskriftsjobb. Testning av material för egenskaper såsom korrosionsbeständighet, mekanisk hållfasthet och högtemperaturstabilitet har också förbättrats. Den totala R&D-tiden har minskat med en faktor tio, samtidigt som processen bevarat en hög grad av dataintegritet.
Sluten-loop-integrering av utskriftsparametrar, mikrostruktur och mekanisk prestanda
Traditionella tillverkningsmetoder har gjort det nästan omöjligt att koppla samman vad som går in i en tillverkningsprocess med vad som kommer ut ur den, hur den fungerar på mikroskopisk nivå och hur väl den presterar. Dagens metallutskriftsteknologier kan göra denna koppling. Genom att använda in situ-mikroskopi kan en operatör observera och dokumentera realtidsförändringar i kornstruktur som uppstår till följd av förändringar i laserstyrka och skanningshastighet. Denna process utvecklar prediktiva förmågor som bestämmer hur starka eller hur elastiska material kan bli utan några provmodifikationer. Ett utmärkt exempel på denna process är tillverkningen av titanställningar. Dessa ställningar kan designas med porositet som är finjusterad, och som ett resultat har ställningarna en förbestämd nivå av elasticitet. Denna teknik underlättar produktionen av titanställningar för luft- och rymdfartsbeslag samt medicinska implantat, där optimering av styrka och vikt är avgörande. "Mikrostruktur efter design" är ett uttryck som används för att beskriva vad som händer när fasfältsmodellering och termisk simulering används tillsammans. Ingenjörer kan mata in de egenskapsmål de önskar; till exempel en flytgräns på 650 grader Celsius, och systemet skapar autonomt en materialbearbetningsplan för att pålitligt uppnå målen över flera produktionsomgångar.
Optimering av prestandadrivna design med topologioptimering och gitteroptimering
Innovativ design som bryter mot konventionella parametrar och material
Med metallutskrift är traditionella begränsningar inom tillverkning inte längre relevanta, inklusive utdragningsvinklar, enhetlig väggtjocklek och verktygsåtkomst. Designers behöver inte längre göra avvägningar med sina designlösningar. Som ett resultat kan ingenjörer använda topologioptimeringsmetoder för att skapa delar som reagerar mer effektivt på belastningar. Material läggs till efter behov och skelettet består av den mest effektiva topologin för att uppfylla önskade krav på hållfasthet, styvhet eller termisk kontroll. Vissa nya komponenter uppfyller önskade krav på strukturell prestanda samtidigt som deras vikt minskas med upp till 60–70 %. Inom industrin förbättras prestandan när det gäller temperaturkontroll, stötabsorption och vibrationsminskning genom avancerade kylsystem, anpassade gitterstrukturer med varierande densitet samt naturliga stag. Dessa förbättringar är avgörande inom luft- och rymdfarten, där viktsänkning är nödvändig, inom energisektorn, där effektivitet är av yttersta vikt, samt inom medicintekniska apparater som kräver pålitlig drift i många olika strukturella och termiska tillstånd. Idag utformar vi strukturer mer optimalt och tar bort onödigt material istället for att enbart utforma dem så att de är strukturellt hållbara vid önskad prestanda.
In situ-sträckningskartläggning och faserutrummodellering som verktyg för datastyrd gitterdesign
Gitterstrukturer har utvecklats avsevärt under de senaste åren. Mönstren i tidigare generationer av gitterstrukturer var ofta inte optimerade och behandlades på samma sätt. Idag ser vi smarta strukturer med rumsligt varierande funktionella designlösningar baserade på storskalig fysik och verkliga testdata. I samband med konstruktionen av gitterstrukturerna kan en design skapas baserat på där stötar kommer att absorberas (auxetiska strukturer), där starkare/stödjande strukturer krävs (oktetgittersstrukturer) och där laster kommer att appliceras. Denna designmetodik har visat en ökning av energiabsorptionen med 30 % jämfört med en traditionell, enhetlig design. En digital tvilling har möjlighet att validera och testa en design innan den implementeras. På grund av denna designmetodik skapas så kallade "feedback-loopar", vilket innebär att designerna blir mer optimerade och exakta ju säkrare de mekaniska responsprocesserna kan förutsägas.
Målad legeringsutveckling genom metallutskrift
Konstruktion av mikrostrukturer inom legeringssystem: Ti-6Al-4V, Inconel 718 och AlSi10Mg
Tack vare förbättrad kontroll över stelnings- och termiska vägar som styrs av processen möjliggör metallutskrift mikrostrukturteknik inom kritiska legeringssystem. Ta till exempel Ti-6Al-4V. Lagersvis additiv tillverkning möjliggör en stabil alfa-beta-fasbalans som förbättrar legeringens motstånd mot högcyklisk utmattning med 40 % jämfört med smidda eller gjutna versioner. För Inconel 718 leder möjligheten att kontrollera svaltningshastigheten till en fin och jämn fördelning av gamma-prima-utfällningar i matrisen, vilket förbättrar legeringens krypfasthet vid temperaturer över 600 grader Celsius. Även AlSi10Mg förbättras av denna designfilosofi. Den snabba stelningsprocessen förändrar både formen och fördelningen av kiselfasen, vilket förbättrar ductiliteten med 25 % (tillsammans med goda hårdhetsnivåer, vilket är avgörande för lättviktsdesign).
Från botten och uppåt: Utskrivbara pulver till material anpassade för prestanda (t.ex. syrgenkontrollerad 316L för implantat)
Resan mot högpresterande resultat börjar med konstruerade pulver: gasatomiserade, sfäriska partiklar (15–45 µm) ger konsekvens vad gäller flöde, packningstäthet och stabilitet i smältbadet. För implantatgradigt rostfritt stål 316L hålls syreinnehållet strikt under 200 ppm för att kontrollera bildningen av oxider som skulle orsaka inklusioner som påverkar biokompatibiliteten och utmattningsslivslängden. Ytterligare bearbetning förbättrar prestandan:
Värmbehandling för spänningsavlastning löser problemet med restspänningar/låsta spänningar som orsakas av temperaturgradienter.
Högisostatisk pressning (HIP) tar bort intern porositet och ökar utmattningströskeln.
Plasmanitridering eller elektrokemisk polering förbättrar ytans korrosionsmotstånd.
Styrningen av hela processen ger material med 50 % bättre osseointegration i prekliniska studier jämfört med traditionellt bearbetat 316L—vilket illustrerar vikten av pulverkarakterisering, processkunnande och efterbehandling för den avsedda kliniska effekten.
Styrning av mikrostruktur och egenskaper via strategisk val av processer inom metalltryck
Stora förändringar står för dörren inom metallutskriftsindustrin med utvecklingen av utskriftsmetoderna Selective Laser Melting (SLM) och Directed Energy Deposition (DED). Dessa tekniker ger användare möjlighet att anpassa mikrostrukturen hos de utskrivna materialen, med fokus på fördelningen av fasta faser och metallfaserna under utskriften. Inmatning till DED- och SLM-processerna ger många olika och kontrollerade resultat i det slutliga materialet. Dessa inmatningsparametrar inkluderar: laserstyrka, skanningshastighet och lagertjocklek, med effektinmatningar på 200–1000 W, hastigheter på 0,5–15 m/s och tjocklekar på 20–100 μm, respektive. Dessa kontrollerade resultat inkluderar, men är inte begränsade till, storleken på mikrokornen i strukturen, fasstrukturer samt eventuella defekter. SLM är känt för att producera extremt finfördelade mikrostrukturmateriel av högsta kvalitet och efterlevnad av de krav som ställs på ledande material för flygmotorer, där utmattningsegenskaper är den största bekymmersorsaken. DED skiljer sig helt åt i FAST. DED kan producera extremt industriellt högkvalitativa små till stora strukturer med gjutning direkt under utskriften av flera metaller tack vare manipulation av energin under utskriften. Den mest kvalitativa informationen om dessa processer anger att användare kan etablera samband som tidigare inte funnits mellan materialens egenskaper och de tillämpade processerna; dessutom framgår det av den mest kvalitativa informationen att dessa processer minskar tiden för mekanisk certifiering av utskrivna delar med två tredjedelar. Detta påstående är korrekt när delarna är utformade av användarna så att de uppfyller standarderna och reglerna enligt ISO/ASTM samt standarder för provning av mekaniska egenskaper såsom draghållfasthet, utmattningsegenskaper och sprickmotstånd.
Frågor som ofta ställs
Vad är metalltryckning och hur snabbt underlättar den materialvalidering?
Metalltryckning, främst för snabb prototypframställning, gör det möjligt for tillverkare att skapa och utvärdera nya legeringar samtidigt genom ytterligare processer, vilket minskar utvecklingstiden från månader till dagar.
På vilket sätt förbättrar metalltryckning utvecklingen av specifika legeringar som Ti-6Al-4V?
Metalltryckning möjliggör målrikt mikrostrukturteknik genom registrerad termisk historia och kontrollerad stelningsprocess, vilket förbättrar mikrostrukturen och avsevärt förstärker egenskaper som utmattningshållfasthet.
Vilka fördelar medför användningen av topologioptimering och gitteroptimering i metalltryckning?
Metalltryckning möjliggör användning av topologioptimering och gitterstrukturer, vilket resulterar i lättare och effektivare komponenter och därmed förbättrar prestandan inom branscher såsom luft- och rymdfart, energi samt medicin.
Vilka fördelar uppstår genom sluten-loop-integrering i metalltryckningsprocesserna?
Sluten-loop-integration förbättrar förutsägbarheten av materialets mikrostruktur och mekaniska egenskaper, vilket gör det möjligt att uppskatta materialets hållfasthet och flexibilitet utan behov av fysisk provning.