Ласерското адитивно производство (LAM) во комбинација со преработка со компјутерска нумеричка контрола (CNC) претставува трансформативен пристап во современото производство, овозможувајќи производство на сложени композитни компоненти со прилагодени својства. Овој хибриден процес на производство го интегрира слој по слој таложењето на материјалот од LAM со прецизната суптрактивна обработка на CNC, овозможувајќи создавање делови со сложени геометрии, подобрени механички својства и подобрени површински завршни обработки. Сепак, интерфејсот помеѓу материјалот таложен со LAM и регионите преработени со CNC воведува значителни предизвици поврзани со континуитетот на микроструктурата и еволуцијата на термичкиот стрес. Овие феномени се јавуваат во повеќе временски скали, од брзите термички циклуси за време на ласерската обработка до побавните механички и термички интеракции за време на... ЦПУ обработкаРазбирањето на меѓусебната поврзаност помеѓу континуитетот на микроструктурата и термичкиот стрес е клучно за оптимизирање на перформансите, сигурноста и издржливоста на композитните компоненти произведени преку овој хибриден пристап.

Оваа статија го истражува континуитетот на микроструктурата на интерфејсот на LAM-CNC преработените композитни компоненти и еволуцијата на термичкиот стрес низ повеќе временски скали. Навлегува во основните принципи на LAM и CNC процесите, металуршките трансформации на интерфејсот и механизмите што го регулираат развојот на термичкиот стрес. Неодамнешните студии се прегледани за да се обезбеди сеопфатно разбирање на овие феномени, поткрепени со детални табели што ги споредуваат клучните параметри и исходи. Статијата е структурирана да обезбеди ригорозен, научен преглед на темата, погоден за истражувачи, инженери и академици во областите на науката за материјали, машинското инженерство и адитивното производство.

Основи на ласерско адитивно производство и CNC преработка

Производство на ласерски адитиви

Производството со ласерски адитиви опфаќа техники како што се ласерско фузија во правен слој (LPBF) и ласерско таложење на метал (LMD), кои користат високоенергетски ласер за топење и фузирање на метални или композитни прашоци слој по слој. LPBF, на пример, вклучува нанесување тенок слој прав на платформа за градење, селективно топење со ласер и зацврстување за да се формира цврста структура. LMD, од друга страна, коаксијално внесува прав или жица во ласерски зрак за да се таложи материјал на подлога. Овие процеси овозможуваат производство на сложени геометрии со голема прецизност, што ги прави погодни за воздухопловни, биомедицински и автомобилски апликации. Сепак, брзите циклуси на загревање и ладење во LAM резултираат со нерамномерни микроструктури, високи преостанати напрегања и потенцијални дефекти како што се порозност и пукнатини.

Микроструктурата на LAM компонентите е под влијание на параметрите на процесот како што се моќноста на ласерот, брзината на скенирање и растојанието помеѓу отворите. На пример, високата моќност на ласерот и ниската брзина на скенирање ги намалуваат стапките на ладење, што доведува до погруби микроструктури, додека помалата моќност и поголемите брзини произведуваат пофини зрна поради брзото стврднување. Резултирачката микроструктура често покажува висока густина на дислокации, клеточни структури и анизотропен раст на зрната, што може да влијае на механичките својства и отпорноста на корозија.

CNC преработка

CNC преработката вклучува техники на суптрактивна обработка, како што се глодање, стругање или брусење, за да се усоврши геометријата, завршната обработка на површината и димензионалната точност на LAM компонентите. CNC обработката отстранува материјал од изработениот LAM дел, решавајќи проблеми како што се грубоста на површината и димензионалните толеранции кои често се неоптимални во адитивното производство. Механичката интеракција помеѓу алатката за сечење и LAM материјалот предизвикува локализирани напрегања и потенцијални микроструктурни промени, особено на интерфејсот помеѓу материјалот нанесен со LAM и обработената површина.

Интеграцијата на CNC преработката со LAM создава хибриден процес на производство кој ги користи предностите и на адитивните и на субтрактивните методи. Сепак, преодната зона помеѓу материјалот нанесен со LAM и површината обработена со CNC воведува сложености во континуитетот на микроструктурата и распределбата на напрегањата, кои се од клучно значење за перформансите на компонентата.

Хибриден LAM-CNC процес

Хибридниот LAM-CNC процес вклучува нанесување на материјал преку LAM, проследено со CNC обработка за да се постигне саканата геометрија и квалитет на површината. Овој пристап е особено поволен за композитните компоненти, каде што засилувањата како што се керамички честички или влакна се вградени во метална матрица за да се подобрат својствата како што се цврстината, тврдоста и отпорноста на абење. Интерфејсот помеѓу LAM-таложениот композит и CNC-машинската обработка на површината е критичен регион каде што континуитетот на микроструктурата и еволуцијата на термичкиот стрес мора внимателно да се управуваат за да се спречат дефекти и да се обезбедат оптимални перформанси.

Континуитет на микроструктурата на интерфејсот LAM-CNC

Микроструктурни карактеристики на LAM компонентите

LAM процесите создаваат уникатни микроструктурни карактеристики поради нивните брзи стапки на стврднување и сложени термички истории. Овие карактеристики вклучуваат:

• Висока густина на дислокацијаБрзото ладење кај LAM резултира со голема густина на дислокации, што придонесува за цврстината на материјалот, но може да доведе и до преостанати напрегања.

• Клеточни и дендритични структуриДинамиката на топениот базен во LAM создава клеточни или дендритични потструктури, со големини на клетките кои се движат од подмикрони до неколку микрони, во зависност од брзината на ладење и составот на легурата.

• Анизотропен раст на зрнатаНасочниот проток на топлина во LAM доведува до раст на столбови зрна долж насоката на градење, што резултира со анизотропни механички својства.

• Фазни трансформацииКај легури како Ti-6Al-4V, брзото ладење може да доведе до формирање на мартензитни фази, како што е α′-мартензитот, кои влијаат на механичките и корозивните својства.

Овие микроструктурни карактеристики се под влијание на параметрите на процесот и составот на материјалот. На пример, кај LPBF од не'рѓосувачки челик 316L, стратегијата за континуирано скенирање произведува помали големини на зрна и клетки (клетки од 400–900 nm во рамките на зрна од 40–60 μm) во споредба со стратегиите со ленти, подобрувајќи ги механичките својства.

Микроструктурни промени за време на CNC преработка

CNC обработката воведува механичка деформација и локализирано загревање на површината на LAM компонентите, менувајќи ја микроструктурата во обработениот регион. Клучните промени вклучуваат:

• Површинска рекристализацијаМеханичката енергија од сечењето може да предизвика рекристализација во регионот близу до површината, трансформирајќи ги изградените колонозни зрна во пофини, еквиокси зрна.

• Пластична деформацијаПроцесот на сечење воведува пластично оптоварување, што доведува до зголемена густина на дислокации и потенцијално стврднување при работа во машински обработениот слој.

• Термички ефектиТриењето помеѓу алатот за сечење и обработуваниот дел генерира локализирана топлина, што може да предизвика фазни трансформации или жарење во регионот близу до површината, во зависност од достигнатата температура.

Овие промени создаваат посебна микроструктурна транзициска зона на интерфејсот LAM-CNC, каде што изградената микроструктура на LAM се среќава со површината изменета од CNC. Обезбедувањето континуитет низ овој интерфејс е клучно за одржување на механичкиот интегритет на компонентата.

Механизми на континуитет на микроструктурата

Континуитетот на микроструктурата се однесува на беспрекорната интеграција на микроструктурните карактеристики низ LAM-CNC интерфејсот, минимизирајќи дефекти како што се пукнатини, деламинација или нагли промени во морфологијата на зрната. Неколку механизми го регулираат овој континуитет:

• Кохезија на границите на зрнатаУсогласувањето на границите на зрната помеѓу материјалот нанесен со LAM и површината обработена со CNC влијае на цврстината на интерфејсот. Неусогласените граници можат да доведат до концентрации на стрес и иницијација на пукнатини.

• Фазна компатибилностКај композитните компоненти, компатибилноста помеѓу фазите на матрицата и армирањето (на пр., TiC честички во титаниумска матрица) е критична. CNC обработката може да ја наруши дистрибуцијата на арматурите, што доведува до фазна сегрегација или меѓуфазна декохезија.

• Усогласување на термичката историјаТермичката историја за време на LAM и CNC процесите мора да се контролира за да се минимизираат разликите во еволуцијата на микроструктурата. На пример, претходното загревање на подлогата за време на LAM може да ги намали термичките градиенти, промовирајќи порамномерен раст на зрната.

Неодамнешните студии покажаа дека оптимизирањето на CNC параметрите, како што се брзината на сечење и брзината на полнење, може да ги минимизира нарушувањата на микроструктурата. На пример, ниските брзини на сечење ја намалуваат топлината од триење, зачувувајќи ја изградената микроструктура, додека високите брзини можат да предизвикаат рекристализација или фазни промени.

Предизвици во одржувањето на континуитетот на микроструктурата

Одржувањето на континуитетот на микроструктурата на интерфејсот LAM-CNC е предизвик поради:

• Термичка неусогласеностБрзите термички циклуси во LAM се во контраст со локализираното загревање во CNC, што доведува до разлики во големината на зрната и фазниот состав низ интерфејсот.

• Механички стресCNC обработката воведува смолкнување напрегања што можат да предизвикаат микропукнатини или деламинација, особено кај композити со кршливи засилувања.

• Прераспределба на засилувањеКај композитите со метална матрица (MMC), CNC обработката може да ги редистрибуира керамичките честички, создавајќи нерамномерни распределби на засилување што го ослабуваат интерфејсот.

За да се справат со овие предизвици, истражувачите истражувале стратегии како што се ласерски потпомогната CNC обработка, каде што ласер го загрева работното парче за да ги намали силите на сечење и термичките градиенти, како и термички третмани по обработката за да се хомогенизира микроструктурата.

Еволуција на термичкиот стрес низ повеќе временски скали

Термички стрес во LAM процесите

Термичкиот стрес кај LAM произлегува од брзите циклуси на загревање и ладење својствени за процесот. Овие стресови се развиваат низ повеќе временски скали:

• Кратки временски скали (микросекунди до милисекунди)За време на ласерското скенирање, базенот на топење доживува брзо загревање (до 10^6 K/s) и ладење (10^4–10^6 K/s), што доведува до стрмни температурни градиенти и високи термички напрегања. Овие напрегања првенствено се должат на несовпаѓања во термичката експанзија и контракцијата помеѓу стопените и зацврстените региони.

• Средни временски скали (секунди до минути)Како што се таложат повеќе слоеви, се јавува циклично повторно загревање и повторно топење, акумулирајќи преостанати напрегања низ компонентата. Овие напрегања се под влијание на стратегијата за скенирање и параметрите на ласерот, при што континуираното скенирање произведува помали напрегања од стратегиите на острови поради порамномерната распределба на топлината.

• Долги временски скали (часови до денови)Третманите по обработката, како што се жарење или топло изостатско пресување (HIP), можат да ги намалат преостанатите напрегања, но може да ја променат микроструктурата, потенцијално намалувајќи ги механичките својства.

Големината и распределбата на термичките напрегања зависат од својствата на материјалот, како што се коефициентот на термичка експанзија (CTE) и параметрите на процесот. На пример, материјалите со низок CTE, како што е Invar, покажуваат намалени термички напрегања во LAM.

Термички стрес за време на CNC преработка

CNC обработката воведува дополнителни термички напрегања поради триење и механичка деформација. Овие напрегања се локализирани на обработената површина и се развиваат во различни временски скали:

• Кратки временски скали (од милисекунди до секунди)Триењето при загревање за време на сечењето генерира локализирани температурни скокови, кои можат да предизвикаат термички напрегања во регионот близу до површината. Овие напрегања се обично компресивни поради механичкото ограничување на алатката за сечење.

• Средни временски скали (минути)Како што напредува обработката, топлината се акумулира во обработуваниот дел, што потенцијално предизвикува термичка експанзија и олабавување на напрегањето во материјалот нанесен со LAM.

• Долгорочни скали (часови)Ладењето по машинската обработка може да доведе до прераспределба на преостанатиот стрес, особено ако компонентата не е термички стабилизирана.

Интеракцијата помеѓу преостанатите напрегања предизвикани од LAM и напрегањата предизвикани од CNC може да ги влоши дефектите како што се искривување или пукање, особено кај композитите со несовпаѓачки CTE помеѓу матрицата и засилувањата.

Мултискално моделирање на термички стрес

Моделирањето на еволуцијата на термичкиот стрес кај LAM-CNC компонентите бара повеќескални пристапи за да се опфати сложеното меѓусебно дејство на термичките и механичките феномени. Клучните методи вклучуваат:

• Метод на конечни елементи (FEM)FEM се користи за симулирање на пренос на топлина, динамика на базенот на топење и развој на преостанат стрес за време на LAM. Тој ги зема предвид својствата на материјалот зависни од температурата и фазните промени.

• Мобилни автомати (CA)CA моделите симулираат раст на зрната и еволуција на микроструктурата, давајќи увид во ефектите на термичките градиенти врз структурите на стврднување.

• Метод на фазно поле (PF)PF методите моделираат фазни трансформации и формирање на дендрити, опфаќајќи ги микроструктурните промени на нано- и микро-скали.

• Компјутерска флуидна динамика (CFD)CFD симулира проток на течност во базенот за топење и пренос на топлина, предвидувајќи го влијанието на ласерските параметри врз термичкиот стрес.

Овие модели се поврзани за да се предвиди еволуцијата на термичкиот стрес низ повеќе временски скали. На пример, модел поврзан со CA-FEM е користен за симулирање на промената на микроструктурата и развојот на стресот во LPBF на Ti-6Al-4V, откривајќи го влијанието на моќноста на ласерот и брзината на скенирање врз морфологијата на зрната и преостанатиот стрес.

Стратегии за ублажување на термичкиот стрес

Ублажувањето на термичкиот стрес кај LAM-CNC компонентите вклучува оптимизирање на параметрите на процесот и техниките за пост-обработка:

• ЗагревањеПредзагревањето на подлогата за време на LAM ги намалува температурните градиенти, намалувајќи ги преостанатите напрегања. На пример, претходното загревање на Ti-6Al-4V на 400°C може да го намали преостанатиот затегнувачки напон за 50%.

• Оптимизација на стратегијата за скенирањеСтратегиите за континуирано скенирање ги минимизираат термичките градиенти во споредба со стратегиите со остров или ленти, намалувајќи ги концентрациите на стрес.

• Пост-обработка термички третманиТехниките како HIP и жарењето ги ублажуваат преостанатите напрегања, но може да ја зголемат микроструктурата, влијаејќи на механичките својства.

• CNC со ласерска помошПретходното загревање на обработуваниот дел со ласер за време на CNC обработката ги намалува силите на сечење и термичките напрегања, подобрувајќи го квалитетот на површината.

Неодамнешни студии и достигнувања

Студии за континуитет на микроструктурата

Неодамнешните студии го унапредија разбирањето на континуитетот на микроструктурата кај LAM-CNC компонентите:

• Ванг и сор. (2020) ја истражувале микроструктурната еволуција на легура со висока ентропија CrMnFeCoNi под циклични брзи термички оптоварувања при селективно ласерско топење (SLM). Тие откриле дека цикличните термички оптоварувања индуцираат мрежи на дислокации кои ја зголемуваат цврстината, но можат да го нарушат континуитетот на машински обработените интерфејси.

• Лиу и др. (2018) проучувале композити на база на Fe зајакнати со WC, изработени со LAM, забележувајќи дека интерфејсите на градиентно засилување/матрица го подобруваат континуитетот на микроструктурата со намалување на напрегањата од термичко несовпаѓање.

• Салман и др. (2019) истражи додавањето на TiB2 во нерѓосувачки челик 316L во SLM, откривајќи дека TiB2 промовира структури на пофини зрна, подобрувајќи ја кохезијата на интерфејсот за време на CNC преработката.

Студии за еволуција на термички стрес

Напредокот во моделирањето и ублажувањето на термичкиот стрес вклучува:

• Чен и сор. (2021) користеше EBSD за анализа на LAM челици, покажувајќи дека посттермичките третмани можат да ја хомогенизираат морфологијата на зрната и да ги намалат преостанатите напрегања, подобрувајќи ја стабилноста на интерфејсот.

• Жао и сор. (2020) истражуваше ласерско таложење на метал на AA5024 со наночестички TiC, откривајќи дека оптимизираните ласерски параметри ги намалуваат термичките напрегања и го подобруваат континуитетот на микроструктурата.

• Донг и сор. (2020) разви FEM модел за симулирање на термичко однесување во SLM на AlSi10Mg, поврзувајќи ги хетерогеностите на микроструктурата со еволуцијата на преостанатиот стрес и предлагајќи стратегии за скенирање за минимизирање на стресовите.

Машинско учење и оптимизација

Машинското учење (ML) се појави како моќна алатка за оптимизирање на LAM-CNC процесите:

• Танг и др. (2023) користеше ML за проценка на керамичката микроструктура за време на ласерското синтерување, оптимизирајќи ги параметрите за минимизирање на термичките напрегања и одржување на континуитетот на микроструктурата.

• Ду et al. (2023) примени Паретова рамка за активно учење за оптимизирање на LPBF параметрите за Ti-6Al-4V, постигнувајќи висока цврстина и еластичност со минимален термички стрес.

• Саематонг и др. (2023) спореди модели за пресметка на топлинска енергија за LAM, користејќи ML за рафинирање на параметрите на процесот и намалување на преостанатите напрегања.

Компаративна анализа и табели со податоци

За да се обезбеди сеопфатна споредба на континуитетот на микроструктурата и еволуцијата на термичкиот стрес, следните табели ги сумираат клучните наоди од неодамнешните студии и параметрите на процесот.

Табела 1: Микроструктурни карактеристики на LAM-CNC компоненти

Табела 2: Еволуција на термичкиот стрес низ временските скали

Табела 3: Оптимизација на параметрите на процесот за микроструктура и контрола на напрегањето

Идни насоки и предизвици

Интеграцијата на LAM и CNC преработка нуди значаен потенцијал за производство на високо-перформансни композитни компоненти, но остануваат неколку предизвици:

• Моделирање на повеќе нивоаРазвивањето на сеопфатни модели што ги поврзуваат фазните трансформации на наноразмер со еволуцијата на стресот на макроразмер е клучно за предвидување и контрола на однесувањето на интерфејсот.

• Следење во реално времеИмплементацијата на системи за следење во реално време, како што се оние што користат машинско учење, може да ги оптимизира параметрите на процесот и да обезбеди континуитет на микроструктурата.

• Стратегии специфични за материјалотПрилагодувањето на параметрите на процесот за специфични материјали, особено композити со сложени фази на засилување, е од суштинско значење за минимизирање на дефектите.

• ОдржливостНамалувањето на потрошувачката на енергија и отпадот од материјали во хибридните LAM-CNC процеси е растечки проблем, што бара иновации во ефикасноста на процесите и рециклирањето.

Идните истражувања треба да се фокусираат на интегрирање на напредни компјутерски алатки, како што се машинско учење и мултифизички симулации, со експериментална валидација за да се постигне прецизна контрола врз микроструктурата и напрегањето. Заедничките напори меѓу академските институции и индустријата ќе бидат клучни за преведување на овие достигнувања во практични апликации.

Заклучок

Континуитетот на микроструктурата на интерфејсот на LAM-CNC преработените композитни компоненти и еволуцијата на термичкиот стрес низ повеќе временски скали се критични фактори во одредувањето на перформансите на хибридно произведените делови. Комплексната интеракција на брзите термички циклуси во LAM и механичките стресови во CNC обработката создава уникатни предизвици во одржувањето на континуитетот на микроструктурата и управувањето со термичкиот стрес. Неодамнешните студии дадоа вредни сознанија за овие феномени, истакнувајќи ја важноста на оптимизираните параметри на процесот, третманите по обработката и напредните техники за моделирање. Со справување со овие предизвици преку иновативни стратегии и интердисциплинарни истражувања, хибридниот процес LAM-CNC може да отвори нови можности за производство на високо-перформансни композитни компоненти со примена во воздухопловството, биомедицината и пошироко.

Изјава за повторно печатење: Ако нема посебни упатства, сите написи на оваа страница се оригинални. Ве молиме наведете го изворот за печатење: https: //www.cncmachiningptj.com/，thanks

PTJ® обезбедува целосен опсег на прилагодена прецизност CNC машинска обработка на Кина услуги. ИСО 9001: 2015 и АС-9100 сертифициран. 3, 4 и 5-оска услуги за брза прецизност за обработка на ЦПУ, вклучувајќи бришење, свртување кон спецификациите на клиентите, способни за метални и пластични машински делови со толеранција +/- 0.005 мм. Средните услуги вклучуваат ЦПУ и конвенционално мелење, дупчење,умре кастинг,лим печатОбезбедување прототипови, целосно производство, техничка поддршка и целосна проверка автомобилската, Воздухопловна, мувла и прицврстување, предводено осветлување,медицински, велосипед и потрошувач електроника индустрии. Навремена испорака. Кажете ни малку за буџетот на вашиот проект и очекуваното време на испорака. Ние ќе направиме стратегии со вас за да ги обезбедиме најисплатливите услуги за да ви помогнеме да ја достигнете вашата цел, Добредојдовте во Контактирајте со нас ( sales@pintejin.com ) директно за вашиот нов проект.