Como testar a resistência dos moldes metálicos de impressão 3D?

一, O principal método para testes de resistência
Os testes de resistência de moldes de impressão 3D de metal devem abranger três dimensões: atributos do material, microestrutura e controle de defeitos, criando um ciclo de testes multi-níveis e multi{2}}dimensionais.
1. Testando o desempenho mecânico: Índice de resistência quantitativa
Teste de tração: Use um equipamento de teste universal para aplicar uma carga de tração axial no material do molde. Isso lhe dirá sua resistência à tração (UTS), resistência ao escoamento (YS) e alongamento na ruptura (EL). Por exemplo, os moldes de liga de titânio devem cumprir a norma ASTM E8, e o seu UTS deve estar entre 800 e 1000 MPa, enquanto o seu YS deve ser de pelo menos 700 MPa.
Teste de compressão: Verifique a estabilidade do molde quando é comprimido. Este teste é especialmente útil para suportar estruturas ou componentes com paredes espessas. Por exemplo, o padrão GB/T 7314 precisa ser usado para verificar a resistência à compressão de moldes de liga de alumínio para garantir que eles não dobrem quando forem formados sob alta pressão.
O teste de flexão de três-pontos ou quatro{1}}pontos é realizado para ver quão rígido é o molde ao dobrar e quão forte é a ligação entre as camadas. Testar a resistência à flexão de moldes de aço inoxidável de acordo com a ISO 14125 é uma maneira de evitar que o descascamento da camada intermediária cause falhas.
Teste de impacto: use uma máquina de teste de impacto de pêndulo para imitar cargas dinâmicas e descobrir quão resistente é o molde (por exemplo, a energia de impacto do entalhe Charpy V-). Por exemplo, o molde para pás de motores de aviação deve atender ao padrão ASTM E23 para garantir que não quebre facilmente quando usado em situações adversas.
Teste de fadiga: use uma máquina de teste de fadiga de alta-frequência para simular cargas de ciclo e descobrir quanto tempo o molde durará antes de se cansar. Os moldes automotivos, por exemplo, devem atender ao padrão ISO 12107 e ter um limite de fadiga de pelo menos 300 MPa para lidar com as tensões da estampagem de-alta{5}}pressão de longo prazo.
2. Análise microestrutural: descobrindo o que torna possível a resistência
Use um microscópio metalográfico (OM) para observar o tamanho do grão do molde, a composição das fases e a interface entre camadas. Por exemplo, moldes feitos com SLM (Selective Laser Melting) geralmente possuem grãos microscópicos equiaxiais, o que os torna mais de 30% mais resistentes do que peças fundidas padrão.
Microscópio eletrônico de varredura (MEV): observe como as rachaduras começam e se espalham e procure falhas como falta de fusão e porosidade. Por exemplo, o SEM precisa verificar os moldes EBM (fusão por feixe de elétrons) para garantir que não sejam muito porosos (menor ou igual a 0,5%) e para evitar concentração de tensão.
Difração de retroespalhamento de elétrons (EBSD): Meça a diferença na orientação do cristal (valor KAM) e teste quão bem o material pode se deformar localmente. Por exemplo, locais com valores elevados de KAM são propensos a desenvolver fissuras e é necessário tratamento térmico para melhorar a orientação dos grãos.
3. Encontre defeitos: livre-se dos riscos ocultos de resistência
Tomografia computadorizada para a indústria: teste de falhas internas em moldes que não os danificam, como poros, fissuras e pontos onde o molde não foi totalmente fundido. Por exemplo, os moldes de aviação devem atender ao padrão ISO 17637 para garantir que os defeitos não sejam maiores que 0,1 mm e que as rachaduras por fadiga não se espalhem.
O teste ultrassônico (UT) encontra falhas profundas e funciona melhor em moldes com paredes espessas. Por exemplo, os moldes de painéis de automóveis devem atender ao padrão ASTM E233 para encontrar falhas internas com pelo menos 50 mm de profundidade.
Espectroscopia de fluorescência de raios X (XRF): verifique rapidamente a composição química do molde para ter certeza de que o conteúdo do elemento é o que deveria ser. Os moldes de liga-à base de níquel, por exemplo, devem atender ao padrão ISO 3497 para manter as faixas de constituintes críticos como Cr e Mo abaixo de 0,5%.
2, Sistema de padrões de teste para uso doméstico e internacional
Os moldes de metal para impressão 3D devem ser testados quanto à resistência de acordo com rígidos padrões internacionais e nacionais para garantir que os dados possam ser comparados e que as regras sejam seguidas.
1. Padrões de todo o mundo
ISO/ASTM 52900: Estabelece definições e classificações para a terminologia de impressão 3D, oferecendo uma base fundamental para testes de resistência.
ISO 23499: estabelece os padrões para a precisão dimensional e qualidade da superfície de itens metálicos impressos em 3D. Isto tem um efeito indireto nos testes de resistência.
ASTM E8/E23/E466: Estas são as principais normas para testes de resistência de moldes. Eles ensinam como fazer testes de tração, impacto e fadiga.
2. Padrões para o lar
GB/T 39251: Deixe claras as regras para preparação e uso de amostras para testes de tração, compressão, flexão e outros testes de propriedades mecânicas de materiais metálicos impressos em 3D.
GB/T 39651: estabelece as etapas para inspecionar e avaliar peças de fabricação aditiva de metal, incluindo como classificar defeitos e definir critérios de aceitação.
QB/T 5696: Esta norma fala sobre a qualidade dos materiais metálicos de impressão 3D e estabelece requisitos específicos para coisas como o tamanho e a fluidez das partículas de pó, que afetam a resistência do molde de forma indireta.
3, Problemas técnicos importantes e como corrigi-los
Para tornar os moldes metálicos de impressão 3D mais resistentes, precisamos encontrar maneiras de lidar com problemas como anisotropia, tensão residual e qualidade da superfície. Isso pode ser feito por meio de novas tecnologias e melhores processos.
1. Controlando a anisotropia
A resistência dos moldes impressos em 3D muda com base na orientação de impressão (longitudinal, transversal, oblíqua). Por exemplo, a resistência longitudinal dos moldes gerados por SLM poderia ser 20% maior que a resistência transversal.
Solução: melhore a maneira como você digitaliza: use um tabuleiro de xadrez ou um caminho de digitalização em espiral para tornar as alterações no estresse térmico nas camadas menos perceptíveis.
Fortalecimento pós{0}}processamento: a prensagem isostática a quente (HIP) remove os poros, aumentando a densidade do molde para mais de 99,9%.
Testes-multidirecionais: as amostras são coletadas em três direções diferentes-longitudinal, transversal e oblíqua-para garantir que a resistência mínima esteja de acordo com os padrões de projeto.
2. Gerenciando o estresse residual Problema: Quando a impressão 3D esfria muito rapidamente, ela pode acumular estresse residual, o que pode fazer com que o molde dobre ou quebre.
Solução: Recozimento para alívio de tensão: Mantenha-o a 500-600 graus por 2 a 4 horas para liberar o estresse interno.
O peening por choque a laser usa feixes de laser de alta-energia para alterar o formato da superfície, adicionar tensão residual compressiva e fazer com que o material sobreviva por mais tempo.
Monitoramento on-line: usando sensores de fibra óptica-integrados para monitorar a distribuição de tensão em tempo real e alterar as configurações de impressão conforme necessário.
3. Melhor qualidade de superfície Problema: A rugosidade da superfície (Ra) dos moldes impressos em 3D é geralmente de 10–20 μm, o que os torna fáceis de quebrar.
Responder:
Polimento mecânico: Uma máquina de polimento CNC pode reduzir Ra para menos de 0,8 μm, o que torna a superfície mais resistente.
Polimento químico: empregando lavagem ácida ou polimento eletrolítico para eliminar pequenas falhas superficiais e tornar a superfície mais resistente à corrosão.
Shot peening: esse processo adiciona uma camada de tensão de compressão residual à superfície, atingindo-a com projéteis de alta-velocidade. Isso o torna mais resistente à fadiga.
4, Estudo de caso e prática da indústria
Caso 1: Molde para pá de motor de avião
O material é uma liga-de alta-temperatura à base de níquel (Inconel 718).
Foco do teste:
Resistência a altas temperaturas: O padrão GB/T 4338 diz que a resistência à tração deve ser testada a 650 graus para garantir que seja de pelo menos 800 MPa.
Desempenho de fadiga térmica: use a ISO 12111 para testar a taxa de propagação de fratura durante os ciclos de partida-parada do motor.
Microestrutura: Use EBSD para observar a distribuição da fase 'e certifique-se de que o tamanho da fase de fortalecimento seja menor ou igual a 50 nm. Isso tornará o material mais estável em altas temperaturas.
O molde dura três vezes mais do que as peças fundidas padrão, que é o necessário para que os motores das aeronaves funcionem por 100.000 horas.
Caso 2: Molde para capa automotiva
Material: Aço de alta resistência (H13)
O que testar:
Resistência ao desgaste: O padrão ASTM G65 testa a quantidade de desgaste para garantir que seja menor ou igual a 0,1 g/1000 rotações.
Resistência ao impacto: A energia de impacto Charpy deve ser de no mínimo 30 J, conforme norma ISO 148.
Precisão dimensional: Use testes CMM para garantir que a imprecisão da superfície do molde seja menor ou igual a 0,05 mm.
O molde dura 500.000 ciclos de estampagem, o que é 50% mais longo do que outros moldes.