همجوشی بستر پودر دمای پایین از پلیمرها با استفاده از استراتژی های قرار گرفتن در معرض شبه شبه فراکتال

همجوشی بستر پودر پلیمرها (PBF-LB/P) یک فرآیند تولید افزودنی لایه ای است که عمدتاً به پردازش شبه ایزوترمال پلیمرهای نیمه کریستالی متکی است ، و ذاتاً طیف پلیمرهای مناسب برای PBF شبه ایزو گرمی را محدود می کند. در مقاله حاضر ، یک رویکرد جدید برای گسترش پنجره پردازش ایزوترمال به سمت دمای قابل توجهی پایین تر با استفاده از قرار گرفتن در معرض لیزر شبه مانند مسیرهای اسکن فراکتال ارائه شده است. رویکرد پیشنهادی مبتنی بر گسستهای زمانی و مکانی ذوب و تبلور متعاقب ترموپلاستیک نیمه کریستالی است ، از این رو امکان جبران خسارت mesoscale از انقباض تبلور بخش های مجزا را فراهم می کند. با استفاده از نظارت ترموگرافی ، افزایش دمای یکدست از زیر بخش های در معرض گسسته ، تداخل حرارتی محدود بخش های مجزا و اجتناب حاصل از آن از پیچ و مهره و پیچ و تاب مشاهده می شود. قطعات تولیدی دارای یک مورفولوژی قسمت متراکم و لایه ای با ساختار نیمه کریستالی در مقیاس نانو هستند. رویکرد ارائه شده یک روش جدید را نشان می دهد که امکان کاهش قابل توجهی در مصرف انرژی ، زمان آماده سازی فرآیند و پیری مواد ناشی از دما در PBF-LB/P را فراهم می کند در حالی که نشان دهنده پایه و اساس پردازش سیستم های جدید و حساس به دما در PBF-LB/است. پ.

1. معرفی

فیوژن بستر پودر مبتنی بر لیزر از پلیمرها (PBF-LB/P) یک فرایند تولید افزودنی مبتنی بر پودر است که امکان تولید اجزای فردی با آزادی هندسی بالا را فراهم می کند. تا به امروز ، PBF-LB/P عمدتا با پردازش شبه ایزوترمال پلیمرهای نیمه کریستالی همراه است. با توجه به گرمایش مداوم محفظه ساخت در PBF-LB/P شبه ایزوترمال ، پیری ناشی از دما از پلیمرها [1] ، افزایش زمان فرآیند به دلیل فازهای گرمایش و سرمایش و تأثیر زمان پردازش بر خصوصیات مکانیکی حاصل می شود [2، 3] ذاتاً زنده ماندن اقتصادی و زیست محیطی را برای تولید مقرون به صرفه اجزای پلیمری محدود کنید. با توجه به زمینه های دمای غیر یکنواخت که در PBF-LB/P رخ می دهد ، فرض ایزوترمال صرفاً نشان دهنده ایده آل است. با توجه به سینتیک تبلور ایزوترمال پلی آمید 12 ، یافته های Neugebauer و همکاران.[4] نشان دهنده وقوع تبلور ایزوترمال در طول PBF ایزوترمال پلیمرها است. Drummer و همکاران با استفاده از یک رویکرد یکپارچه فرآیند.[5] وقوع وابسته به زمان تبلور ایزوترمال در PBF-LB/P را تعیین کرد ، و امکان استراتژی های فرآیند جدید برای محدود کردن منطقه پردازش ایزوترمال به سطح بستر پودر را پیشنهاد کرد. با توجه به وابستگی به زمان و دما از فرآیند تبلور ایزوترمال ، یافته های Soldner و همکاران.[6] نشانگر تبلور ایزوترمال غیر یکنواخت و وابسته به هندسه است [7]. یافته های به دست آمده توسط شن و همکاران.[8] بر اساس یک رویکرد عددی نشانگر همبستگی میزان خنک کننده زیرین و استرس باقیمانده است ، بنابراین بر تحریف قسمت تأثیر می گذارد. در نتیجه ، تبلور ایزوترمال کنترل شده در PBF-LB/P همه جانبه است و تحت تأثیر اثرات وابسته به زمان ، دما و هندسه قرار می گیرد. با این حال ، حتی با توجه به وقوع تبلور ایزوترمال در PBF-LB/P ، پردازش غیر ایزوترمال در زیر دمای شروع تبلور پلیمرهای نیمه کریستالی به دلیل وقوع اعوجاج ناشی از استرس ، به ویژه پیچ و تاب و پیچ و تاب باقی مانده است [9]وادناشی از تبلور ناهمگن از ذوب پلیمر ، پیچش به طور قابل توجهی پایداری فرآیند را کاهش می دهد و منجر به وقفه های فرآیند می شود. انقباض ناشی از تبلور ذاتاً به پردازش پلیمرهای نیمه کریستالی محدود می شود ، بنابراین نیاز استراتژی های جدید برای کنترل سینتیک تبلور برای ترویج یکنواخت را تشکیل می دهد.

تبلور کنترل شده از هر لایه. بنابراین ، تبلور غیر یکنواخت مواد کاربردی یک چالش ذاتی برای استراتژی های پردازش جدید است ، با تمرکز بر بهینه سازی فرآیند ناشی از قرار گرفتن در معرض.

2. وضعیت هنر

2. 1سینتیک تبلور ایزوترمال و غیر ایزوترمال پلیمرها

پردازش شبه ایزوترمال وضعیت هنر را در فیوژن بستر پودر مبتنی بر لیزر از پلیمرها تشکیل می دهد. فرض ایزوترمال در PBF-LB/P حاکی از بروز غالب تبلور ایزوترمال در طی فرآیند ساخت است. یک مدل سازی اساسی فرآیندهای تبلور ایزوترمال را می توان با استفاده از معادله Avrami بدست آورد. با توجه به نرخ خنک کننده غیر ثابت ، در لیزر پخت پلیمرها در شبه ایزوترمال و همچنین در پردازش غیر ایزوترمال ، مدل ناکامورا ، پیشنهاد شده توسط ناکامورا و همکاران.[10،11] امکان در نظر گرفتن تبلور غیر ایزوترمال را فراهم می کند. درجه ماکروسکوپی تبلور ، α ، می تواند در وابستگی عملکرد تبلور سینتیک ناکامورا K (T) بیان شود ، که از نزدیک با عملکرد Avrami K (T) مرتبط است.

رابطه اساسی میزان تبلور ناکامورا K (T) و میزان تبلور Avrami K (T) را می توان با استفاده از یک پارامتر وابسته به دما ، بدون بعد n بیان کرد._1/2Ziabicki [12] یک رابطه نمایی تجربی از تبلور نیمه وقت t توصیف کرد₀، ثابت رشد k_gو نرخ هسته ثابت k_∞ = T_gبا استفاده از تئوری لوریتز ن-هافمن ، با انرژی فعال سازی برای انتشار پلیمر U* = 6270 J mo l-1 ، ثابت گاز جهانی R ، مقدار دما t

- 30 K ، نشانگر قطع جریان چسبناک ، و دمای ذوب تعادل T M 0 ، در معادله (3) نمایش داده می شود.₀ژائو و همکاران.[13] رابطه تجربی را در پلی آمید 12 ، که در فیوژن بستر پودر مبتنی بر لیزر استفاده می شود ، با قرار دادن پارامترهای k استفاده کرد_gو k

بر اساس داده های تجربی به دست آمده از کالری سنجی اسکن دیفرانسیل. تبلور حاصل از نیمه بار ، ارائه شده توسط ژائو و همکاران ، مطابق با مقادیر آزمایشی و مدل شده برای نرخ خنک کننده به اندازه کافی مناسب است. در نتیجه ، یک دمای پردازش کاهش یافته T با نیمی از زمان تبلور به میزان قابل توجهی کاهش می یابد. با توجه به تبلور ایزوترمال پلی آمید 12 خاموش در دمای مختلف محیط ، پاولوچی و همکاران.[14] شکل گیری وابسته به دما ترکیبات فاز کریستالی مختلف پلی آمید 12. تبلور بدون فشار در دماهای بیش از 100 درجه سانتیگراد عمدتاً منجر به تشکیل فاز α [14] می شود ، و حاکی از تشکیل یک فاز کریستالی یکسان در یک فاز یکسان است. پنجره پردازش حرارتی گسترده. با این حال ، با توجه به سینتیک تبلور توصیف شده ، وابستگی به میزان خنک کننده کاربردی و خواص مورفولوژیکی باید تأثیر عمده ای در دمای پایین PBF-LB/P در نظر گرفته شود.

2. 2پردازش مبتنی بر لیزر با دمای پایین پلیمرها

در مقابل با همجوشی بستر پودر آلیاژهای فلزی ، PBF پلیمرها با اجتناب از ساختارهای پشتیبانی مشخص می شود. با توجه به استفاده از ساختارهای پشتیبانی ، رویکردهای مختلف برای انتقال مفاهیم مبتنی بر فلز در پردازش غیر ایزوترمال پلیمرها [15] شرح داده شده است. مورفولوژی های مادی حاصل اندازه های کروی را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد ، با افزایش کشیدگی در هنگام استراحت در حالی که سطح تخلخل کافی را نشان نمی دهد ، ارتباط دارد [16]. برخلاف استفاده از ساختارهای پشتیبانی ، اجتناب از پیچ و خم و پیچ و تاب با استفاده از پیش گرم شدن لیزر توسط لاومر و همکاران ارائه شده است.[17] ، با استفاده از تابش پرتو لیزر همزمان برای تولید ایزوترمال اجزای چند ماده. تحقیقات انجام شده توسط Chatham و همکاران.[18] برای تولید پلی فنیلن سولفید در کاهش دمای بستر پودر ، میزان تخلخل را به میزان قابل توجهی افزایش می دهد ، بنابراین کاربرد قطعات تولید شده را محدود می کند. در نتیجه ، تا به امروز ، PBF غیر ایزوترمال پلیمرها با توجه به نیاز به ساختارهای پشتیبانی و ظهور خواص جزئی ناکافی ، ذاتاً محدود است.

2. 3تأثیر استراتژی های قرار گرفتن در معرض در زمینه های دمای سطحی و خصوصیات بخشی

کاربرد انواع استراتژی های قرار گرفتن در معرض برای PBF مبتنی بر فلز و پلیمر شرح داده شده است. تعامل یک هندسه در معرض و استراتژی قرار گرفتن در معرض کاربردی در زمینه های دما در نتیجه در ادبیات اخیر به طور گسترده شرح داده شده است. با کاهش عمق نفوذ حرارتی ، افزایش سرعت قرار گرفتن در معرض با افزایش حداکثر دمای حداکثر سطحی ارتباط دارد [19،20]. علاوه بر این ، در نتیجه زمینه های دمای سطحی ، وابستگی به سرعت قرار گرفتن در معرض اعمال شده و طول بردار اسکن زیرین را نشان می دهد [19] ، که ناشی از یک ترکیب حرارتی بردارهای اسکن متعاقباً در معرض آن است [20]. جین و همکاران.[2] همبستگی مربوط به زمان بازگشت هندسه و متغیر از پرتو لیزر و خصوصیات مکانیکی متفاوت نمونه های تولید شده با استفاده از پلی آمید 12 را توصیف می کند ، و این حاکی از تأثیر زمینه های دمای سطحی در خصوصیات قسمت مکانیکی است. بیش از نظارت بر زمینه های دما ناشی از قرار گرفتن در معرض ، گرینر و همکاران.(2021) [21] وابستگی متقابل پارامترهای قرار گرفتن در معرض کاربردی و هندسه زیرین را در زمینه های دمای پس از قرار گرفتن در معرض مشاهده کرد و منجر به ساختار مورفولوژیکی مختلف قطعات ساختگی شد.

استراتژی های قرار گرفتن در معرض تقسیم بندی شده ، که به طور گسترده در PBF مبتنی بر لیزر آلیاژهای فلزی (PBF-LB/M) اعمال می شود ، تنش های باقیمانده را کاهش می دهد ، که برای استفاده از فولاد [22،23،24] و آلیاژهای نیکل شرح داده شده است [25]. زو و همکاران.(2020) [22] تأثیر قابل توجهی از توالی قرار گرفتن در معرض و جهت گیری بخشهای مجزا بر استرس باقیمانده حاصل ، تأکید بر مزایای ساختاری توالی غیر خطی در مقایسه با توالی خطی را توصیف می کند. با توجه به الگوهای مختلف قرار گرفتن در معرض بخشهای مجزا ، وابستگی های متقابل پیچیده تر از توالی کاربردی بردارهای اسکن در معرض ، طول بردار اسکن و توالی زیر بخش های در معرض شرح داده شده است. با توجه به وابستگی هندسه ذاتی الگوهای قرار گرفتن در معرض خطی ، الگوهای قرار گرفتن در معرض غیر خطی در PBF مبتنی بر فلز و پلیمر توجه بیشتری را به خود جلب می کنند. استفاده از الگوهای قرار گرفتن در معرض غیر خطی در ابتدا توسط یانگ و همکاران شرح داده شد.[26] ، با استفاده از منحنی فضا ، فراکتال هیلبرت برای پخت ذرات سرامیکی پلیمر. تحقیقات بیشتر در مورد الگوهای قرار گرفتن در معرض فراکتال توسط ما و همکاران انجام شد.[27] و Catchpole-Smith و همکاران.[28] ، توصیف کاهش اعوجاج ناشی از استرس و کاهش بروز ترک های ناشی از گرما در PBF آلیاژهای نیکل. گرینر و همکاران.[29] استفاده از منحنی قلبی پرشور ، پر از فضا برای PBF پلی آمید 12 را توصیف کرد ، که منجر به زمینه های دمای هندسه متغیر می شود که توسط ساختار مقیاس-متغیر الگوی قرار گرفتن در معرض کاربردی ترویج می شود. بنابراین ، استفاده از الگوهای قرار گرفتن در معرض خطی به طور قابل توجهی تحت تأثیر سطح مقطع در معرض قرار می گیرد و منجر به کاهش تکرارپذیری خواص قسمت می شود. در مقابل ، با استفاده از استراتژی های قرار گرفتن در معرض تقسیم بندی شده و فراکتال ، شکل گیری زمینه های دمای یکنواخت ، هندسه-متغیر را تقویت می کند که می تواند برای PBF-LB/P درجه حرارت پایین مورد سوء استفاده قرار گیرد. در نتیجه ، تشکیل استرس باقیمانده ناشی از تبلور و تغییر شکل های حاصل از آن ، وابستگی استراتژی های قرار گرفتن در معرض کاربردی را نشان می دهد ، از این رو حاکی از نیاز استراتژی های قرار گرفتن در معرض جدید برای غلبه بر محدودیت های موجود PBF شبه ایزو گرمی پلیمرها است.

3. رویکرد روش شناختی برای PBF درجه حرارت پایین

رویکرد ارائه شده در کاغذ THIR در کاهش قابل توجهی دمای محفظه ساخت و در عین حال محدود کردن پیچ و تاب و پیچ و مهره قطعات تولیدی با استفاده از قرار گرفتن در معرض لیزر فراکتال ، شبه شبیه به آن. برخلاف PBF شبه ایزوترمال ، PBF با دمای پایین ، همانطور که در این مقاله پیشنهاد شده است ، به تبلور فوری بخش های در معرض مجزا متکی است ، با توجه به یک ویندوزهای پردازش خاص مواد در زیر اوج تبلور ، نمایش داده شده در شکل 1.

پیامدهای حاصل برای کنترل دمای فرآیند شامل کاهش قابل توجهی زمان قبل از گرم شدن و حذف فوری قطعات تولیدی متعاقب فرآیند ساخت است. با توجه به کاهش نیازهای همگن حرارتی بر خلاف پردازش شبه ایزوترمال ، زمان قبل از گرم شدن کاهش می یابد ، بنابراین میدان حرارتی همگن مورد نیاز را به ضخامت لایه تولید محدود می کند. به ترتیب زمان فرآیند پردازش غیر ایزوترمال و شبه ایزوترمال ، به ترتیب ، در شکل 2 نشان داده شده است.

امکان پردازش غیر ایزوترمال پلیمرهای نیمه کریستالی ، محدود کردن اعوجاج بخشهای در معرض ضروری است. بر اساس تحقیقات قبلی در مورد زمینه استراتژی های قرار گرفتن در معرض تقسیم بندی شده [23،25] ، استراتژی های قرار گرفتن در معرض تقسیم بندی شده با استفاده از مسیرهای اسکن فراکتال [26،27،28،29] و قرار گرفتن در معرض شبه شبیه به بخش های مجزا ترکیب شده است. تولید مسیر اسکن فراکتال که در مقاله حاضر اعمال می شود ، مبتنی بر منحنی های پر کردن فضا ، خودکشی و خودکشی است که معمولاً به عنوان "منحنی های fass" [30] ، به ویژه در منحنی Peano [31] گفته می شود. اجرای استراتژی های قرار گرفتن در معرض فراکتال ، شبه شبیه به برنامه نویسی بازگشتی عملکردی است که در پایتون 3. 8 انجام شده است. استراتژی های قرار گرفتن در معرض با استفاده از فرمت Common Layer Interface (CLI) منتقل می شوند تا امکان ادغام استراتژی های قرار گرفتن در معرض پیچیده در ماشین آلات در دسترس تجاری فراهم شود. مسیرهای قرار گرفتن در معرض ، که برای پردازش غیر ایزوترمال پلیمرها اعمال می شود ، شامل زیر بخش های فراکتال گسسته است که با استفاده از توالی فراکتال در معرض دید قرار می گیرند. استراتژی قرار گرفتن در معرض نتیجه یک مقطع مربع نمونه در شکل 3 نشان داده شده است.

قرار گرفتن در معرض شبه و متوسط هندسه های مختلف بر اساس قرار گرفتن در معرض تکراری و متوالی الگوهای فراکتالی مجزا است. هر بخش زیر یک حلقه بسته را تشکیل می دهد و امکان قرار گرفتن در معرض شبه سامی بدون وقفه را فراهم می کند ، که به صورت شماتیک در شکل 4 نمایش داده می شود.

قرار گرفتن در معرض شبه و متوسط به دلیل قرار گرفتن در معرض تکراری بخش های مجزا ، با زمان لایه قابل توجهی افزایش یافته است و منجر به افزایش زمان لایه معادل تعداد اضافی مراحل قرار گرفتن در معرض نسبت به قرار گرفتن در معرض منفرد می شود. با استفاده از یک توالی قرار گرفتن در معرض فراکتال برای کاهش تأثیرات ناشی از هندسه و مداخلات در زمینه های دما درآمدی ، به طور مکرر و در معرض دید توالی می شوند. بنابراین ، الگوهای فراکتال در سطح زیر بخش و برای تعیین توالی بخش های متوالی اعمال می شود. با توجه به تغییر مقیاس منحنی های پر کردن فضای فراکتال ، توالی بخش های اسکن شده متوالی با ساختار منحنی Peano ، که به صورت شماتیک در شکل 5 نمایش داده می شود ، تعیین می شود.

الگوهای قرار گرفتن در معرض مقطع پیچیده با استفاده از الگوریتم پیشنهادی یانگ و همکاران تولید می شوند.[26] ، بنابراین به طور ضمنی یک منحنی بسته و پر از فضا را متناسب با کانتور قسمت خاص تولید می کند.

4- مواد و روشها

4. 1راه اندازی آزمایشی

تمام کارهای آزمایشی با استفاده از یک سیستم تحقیقاتی SLS با قابلیت تنظیم آزاد انجام می شود، بنابراین امکان ادغام مسیرهای اسکن پرکننده فضای پیچیده، تهیه شده با استفاده از الگوریتم های تکراری را فراهم می کند. دستگاه SLS مورد استفاده شبیه ماشین آلات تجاری موجود است، مجهز به یک اسکنر گالوانومتر با سرعت بالا، SCANLAB GmbH، Puchheim، آلمان، در حالی که امکان کنترل مستقیم توالی نوردهی بر اساس برنامه ریزی مسیرهای نوردهی را فراهم می کند. پارامترهای نوری ثابت شامل طول موج لیزر λ = 10. 6 میکرومتر و قطر کانونی لیزر d = 0. 5 میلی متر است. ارتفاع لایه 0. 1 میلی متر برای تمام تحقیقات تجربی ثابت نگه داشته می شود. پودر پلی آمید 12 تجاری موجود، PA 2200، EOS GmbH، Krailling، آلمان، به عنوان ماده زیرین استفاده می شود. مخلوطی از کسرهای مساوی از پودر از پیش استفاده شده و پودر بکر استفاده می شود. پودر از پیش استفاده شده از سطل های سرریز استخراج شد و در معرض یک مرحله پوشش مجدد قرار گرفت که مربوط به پیری حرارتی صرفاً ناچیز است. خواص مواد حاصل، چگالی ظاهری 0. 44 گرم در سانتی متر-3 و یک عدد ویسکوزیته، تعیین شده بر اساس ISO 307، VN = 64 میلی لیتر در گرم-1 را نشان می دهد. ماده اعمال شده دمای پیک ذوب 179 درجه سانتیگراد و دمای حداکثر تبلور 152 درجه سانتیگراد را نشان می دهد. برای اجازه دادن به بررسی های ترموگرافی میدان های دمایی ناشی از نوردهی، یک دوربین ترموگرافی، VELOX 1310k SM، IRCAM GmbH، Erlangen، آلمان، استفاده شد. تصویربرداری ترموگرافی با استفاده از نرخ فریم 355 هرتز و وضوح فضایی 140 میکرومتر انجام شد که سطح مقطع بستر پودری مستطیلی 40 × 40 میلی متر مربع را پوشش می داد. ضریب انتشار ε = 0. 9 برای تعیین میدان های دمایی حاصل مشخص شد.

4. 2. طراحی آزمایش ها

روش کاربردی مبتنی بر تحقیقات ترموگرافی و مورفولوژیکی مکمل اجزای تولید شده در شرایط پردازش غیر ایزوترمال است. تحقیقات ترموگرافی برای توصیف خصوصیات فرآیند حرارتی هر دو استراتژی قرار گرفتن در معرض معمولی و شبه شبیه سازی استفاده می شود. برای بررسی خصوصیات پردازش استراتژی های قرار گرفتن در معرض خطی و فراکتال ، لایه های تک مقطع مربع که دارای طول لبه 16. 2 میلی متر هستند ، ساخته شده اند. برای فعال کردن مقایسه استراتژی های قرار گرفتن در معرض خطی و فراکتال در شرایط پردازش غیر ایزوترمال ، اسکن خطی خطی و اسکن فراکتال ، مربوط به منحنی Peano ، با استفاده از سرعت اسکن ثابت 500 میلی متر S-1 ، یک قدرت لیزر 16 W استفاده می شود. فاصله دریچه ای از 0. 2 میلی متر و دمای تخت پودر 100 درجه سانتیگراد. یک مرحله قرار گرفتن در معرض واحد اعمال می شود تا امکان ارزیابی مقایسه ای از خواص پردازش استراتژی های قرار گرفتن در معرض معمولی در شرایط پردازش غیر ایزوترمال فراهم شود. طول لبه مشخص شده برای بررسی ترموگرافی استراتژی های قرار گرفتن در معرض تک اسکن با توجه به فاصله دریچه زیرین 0. 2 میلی متر ، مربوط به تکرار چهارم منحنی Peano انتخاب شده است.

علاوه بر استفاده از استراتژی های قرار گرفتن در معرض تک مرحله ای ، تحقیقات ترموگرافی برای توصیف خواص فرآیند حرارتی از قرار گرفتن در معرض شبه-سیال ، فراکتال با تغییر تعداد اسکن های متوالی برای تعیین تأثیر شرایط پردازش شبه سالانه در زمینه های حرارتی گذرا انجام می شود. وادنمونه های تولید شده هندسه های مکعب را با طول لبه 10 میلی متر به خطر می اندازند و این امکان را فراهم می آورد تا با استفاده از تجزیه و تحلیل ترموگرافی ، از نظر حرارتی بخش های مجزا استفاده شود. نمونه ها با استفاده از فاصله دریچه ای از 0. 2 میلی متر و قدرت لیزر 2 W ساخته می شوند. برای توصیف تأثیر شرایط مختلف شبه سنجی و دمای مختلف بستر پودر در زمینه های دمای در حال ظهور ، یک تغییر پارامتر کامل ، همانطور که در نمایش داده می شود. جدول 1. پارامترهای فرآیند متنوع شامل تعداد اسکن ها ، مربوط به تعداد مراحل قرار گرفتن در معرض متوالی یک بخش مجزا است.

تحقیقات مورفولوژیکی تکمیلی نمونه های تولید شده بر اساس استفاده از پارامترهای شبه سمی ثابت و شرایط مرزی حرارتی متنوع است که به ترتیب مربوط به دمای بستر پودر 75 درجه سانتیگراد و 100 درجه سانتیگراد است. بر اساس تحقیقات ترموگرافی قبلی ، تعدادی از 25 مرحله قرار گرفتن در معرض متوالی برای اطمینان از تشکیل لایه همگن اعمال می شود. برای مقایسه ویژگی های ماده حرارتی و مورفولوژیکی در وابستگی به فرآیند زیرین ، نمونه های یکسان هندسی با استفاده از PBF شبه ایزوترمال با استفاده از دمای بستر پودر 170 درجه سانتیگراد ، فاصله دریچه ای از 0. 2 میلی متر ، یک قدرت لیزر از لیزر تولید می شود. 16 W ، و سرعت قرار گرفتن در معرض 2000 میلی متر S - 1. اسکن سرنوشت به عنوان استراتژی اساسی قرار گرفتن در معرض استفاده می شود.

4. 3ساخت یک تظاهرات کننده هندسه پیچیده

برای بررسی توانایی استراتژی فرآیند پیشنهادی برای تولید قطعات پیچیده ، بهار فشرده سازی ، نمایش قطر بیرونی 10 میلی متر ، طول رایگان 15 میلی متر و قطر سیم 1 میلی متر ، با استفاده از مبتنی بر Peano ساخته شده است، استراتژی قرار گرفتن در معرض شبه و متوسط. به منظور بهبود تولید اجزای دیواره نازک با افزایش نسبت حجم سطح ، یک اسکن کانتور شبه سمی متعاقباً در معرض قرار گرفتن در معرض دریچه قرار می گیرد. پارامترهای پردازش کاربردی در جدول 2 نمایش داده شده است.

4. 4خصوصیات حرارتی و مورفولوژیکی

خصوصیات حرارتی نمونه های تولیدی با استفاده از کالری سنجی اسکن دیفرانسیل (DSC) انجام می شود و از میزان گرمایشی 10 کیلوگرم دقیقه 1 استفاده می شود. آماده سازی نمونه برای اندازه گیری DSC شامل حذف منطقه لبه به منظور امکان مقایسه شرایط مختلف پردازش است. خصوصیات مورفولوژیکی با استفاده از میکروسکوپ قطبش و توموگرافی کامپیوتری تعیین می شود. میکروگراف های قطبی با استفاده از بخش های نازک با ضخامت 10 میکرومتر تهیه می شوند. تحقیقات میکروسکوپی مربوطه با استفاده از Zeiss Axio Imager 2 ، میکروسکوپ کارل زایس Deutschland GmbH ، Oberkochen ، آلمان انجام می شود. توموگرافی کامپیوتری نمونه های تولیدی با استفاده از یک موسسه زیر μ-CT ، Fraunhofer برای مدارهای یکپارچه (IIS) E. V. انجام می شود و با استفاده از وضوح مکانی ایزوتروپیک 4. 5 میکرومتر. تحقیقات تحلیلی بعدی از توزیع مکانی منافذ به تجزیه و تحلیل مبتنی بر فیلمنامه از توزیع چگالی سه بعدی و باناریزه متکی است.

5. نتایج و بحث

5. 1محدودیت استراتژی های قرار گرفتن در معرض تک اسکن

با توجه به خواص پردازش قرار گرفتن در معرض خطی ، معمولی در شرایط پردازش غیر ایزو گرم ، تحقیقات حرارتی از لایه های منفرد تولید شده ، پس از مرحله قرار گرفتن در معرض اعوجاج قابل توجهی را نشان می دهد. در شکل 6a نمایش داده می شود ، لایه های منفرد با استفاده از مسیرهای قرار گرفتن در معرض خطی ، انقباض عمود بر شیب حرارتی تشکیل شده را نشان می دهند. در مورد ظهور پیچ و تاب و پیچ و مهره لایه های منفرد تولید شده ، تولید قطعات بدون استفاده از سازه های پشتیبانی به دلیل ایجاد وقفه در فرآیند ، ذاتاً محدود می شود. در مقابل ، استفاده از استراتژی Peano فراکتال میزان تحریف قابل توجهی را نشان می دهد ، و این نشانگر کاربرد بهبود استراتژی های قرار گرفتن در معرض فراکتال برای پردازش غیر ایمن بدون پشتیبانی است.

با توجه به کاهش دمای اوج مشاهده شده برای استفاده از استراتژی های قرار گرفتن در معرض فراکتال [29] ، کاهش فشار حرارتی مسیرهای اسکن در معرض متوالی با کاهش و تحریف لایه های تولید شده در ارتباط است. تحریف حاصل از نتیجه مطابق با یافته های شرح داده شده توسط ما و همکاران است.[27] و Catchpole-Smith و همکاران.[28] برای PBF-LB/M ، نشانگر کاهش قابل توجهی از تنش های باقیمانده [27،28] و بروز ترک خوردگی استرس [28] از سوپرآلورهای نیکل پایه است. در نتیجه ، قرار گرفتن در معرض فراکتال بخش های مجزا امکان کاهش قابل توجهی در اعوجاج ناشی از استرس را فراهم می کند ، از این رو پایه ای برای رویکرد پیشنهادی از قرار گرفتن در معرض ترکیبی فراکتال ، شبه شبیه به هم است.

5. 2تجزیه و تحلیل ترموگرافی از پردازش فراکتال ، شبه متوسط

بررسی ترموگرافی از قرار گرفتن در معرض شبه-همزمان در شرایط غیر ایزوترمال ، افزایش تدریجی مشخصه دمای میانگین قطعه مشاهده شده را نشان می دهد. تعداد فزاینده ای از اسکن های متوالی با افزایش دلهره آور ، که در شکل 7a نمایش داده می شود ، در ارتباط است. با توجه به دمای اوج ظهور ، بیش از حد ذوب سطحی بستر پودر به میزان قابل توجهی به تعداد اسکن های متوالی بستگی دارد و با چگالی انرژی اعمال شده در ارتباط است. با توجه به افزایش حرارتی دفع کننده ، یک تکامل حرارتی مشابه می تواند برای قرار گرفتن در معرض ایزوترمال با استفاده از استراتژی قرار گرفتن در معرض خطر به دلیل ابر حرارتی مسیرهای اسکن متوالی در معرض دید مشاهده شود [19،20]. تأثیر دمای بستر پودر کاربردی با توجه به میزان خنک کننده به وضوح نشان داده شده است ، که نشانگر همبستگی منفی دمای کاربردی و سرعت خنک کننده است. با این حال ، هیچ تأثیر معنی داری از دمای بستر پودر در دمای اوج حاصل مشاهده نمی شود ، که نشان دهنده تأثیر فوق العاده مورفولوژی بستر پودر محلی در دمای اوج اندازه گیری شده است. تعداد متفاوتی از اسکن های متوالی اعمال شده از بخش های مجزا ، رابطه شبه خطی از تعداد اسکن های کاربردی و دمای اوج حاصل را نشان می دهد ، که در شکل 7b نشان داده شده است ، بنابراین تنظیم دمای اوج حاصل می شود.

با توجه به تأثیر وابستگی های متقابل حرارتی بخشهای متوالی در معرض استرس باقیمانده در PBF-LB/M [22] و بروز تعامل حرارتی بردارهای اسکن متعاقباً در معرض ، مشاهده شده در PBF-LB/P [20] ، همبستگی توالی توالی فراکتالدر نتیجه اوج حاصل از آن بررسی شده است. اندازه گیری دمای اوج خاص بخش از سطح مقطع 10 × 10 میلی متر مربع مربع ، تأثیر صرفاً ناچیز از توالی قرار گرفتن در معرض ، نمایش داده شده در شکل 8 را نشان می دهد.

با توجه به پارامترهای فرآیند کاربردی ، توالی فراکتال امکان کاهش ابر حرارتی را با توجه به دمای اوج مشاهده شده فراهم می کند. با توجه به ساختار فراکتال توالی قرار گرفتن در معرض کاربردی ، می توان افزایش چشمگیر دمای اوج را مشاهده کرد ، که با توالی موضعی به شکل محلی منحنی Peano ارتباط دارد. با این حال ، ابر حرارتی عمدتاً محدود به تداخل حرارتی محلی بخشهای متوالی در معرض دید است و محدودیت حرارتی مؤلفه متقابل بخشهای در معرض را محدود می کند. با توجه به کاهش قابل توجهی از پیچ و تاب جزئی ، کاهش وابستگی حرارتی کاهش یافته از بخش های مجزا می تواند با کاهش اعوجاج ناشی از استرس ارتباط داشته باشد ، بنابراین پایه و اساس تولید بدون پشتیبانی از قطعات جامد را نشان می دهد. علاوه بر این ، با توجه به توالی فراکتال کاربردی از بخش های مجزا ، صرفاً ترکیب حرارتی محلی مشاهده شده حاکی از امکان محدود کردن تأثیرات وابسته به هندسه بر قطعات تولیدی است ، از این رو امکان ساخت قطعات با تغییرات ناچیز از تاریخ حرارتی محلی را فراهم می کند ، صرف نظر از اینهندسه های زیرین.

5. 3. مورفولوژی جزئی

PBF غیر ایزوترمال ، شبه سمی از پلی آمید 12 تفاوت های مورفولوژیکی قابل توجهی را در مقایسه با اجزای پردازش شده با استفاده از PBF ایزوترمال نشان می دهد. بخش های نازک از نمونه های مکعب تولید شده ، تبلور لایه ای از لایه های مجزا را نشان می دهد ، که یک هندسه استخر ذوب پارابولیک از بخش های در معرض نمایش را نشان می دهد ، که در شکل 9 نمایش داده شده است.

بر اساس ساختار لایه نمایش داده شده ، وابستگی عمق نفوذ حرارتی به ابر حرارتی بخش های مجزا مشاهده می شود که منجر به کاهش عمق نفوذ حرارتی در ناحیه لبه می شود. با توجه به عمق نفوذ محلی مشاهده شده ، محلی ، رابطه قبلاً مشاهده شده از تعداد مراحل قرار گرفتن در معرض متوالی و دمای اوج حاصل ، نشان دهنده تأثیر غیرخطی از تعداد مراحل قرار گرفتن در معرض متوالی است. با توجه به رابطه طول انتشار حرارتی μ ، زمان ضربه حرارتی t ، و انتشار حرارتی α [32] ، برای فرض گرمایش پالس معتبر ، تأثیر غیرخطی از یک زمان ضربه حرارتی متفاوت و وابسته به قرار گرفتننتیجه نفوذ حرارتی حاصل مشهود است.

علاوه بر این، افزایش نزولی مشاهده شده دمای خاص بخش، تأثیر برهم نهی رابطه توصیف شده قبلی از تعداد مسیرهای اسکن و دمای پیک حاصل را بر روی هندسه حوضچه مذاب در حال ظهور نشان می دهد. در نتیجه، ضخامت مشاهده شده لایه بالایی را می توان با نوردهی شبه همزمان اعمال شده مرتبط دانست، که با افزایش زمان تاثیر حرارتی قابل توجه قرار گرفتن در معرض لیزر در مقایسه با نوردهی معمولی ایجاد می شود.

با توجه به تغییرات دمای بستر پودر اعمال شده که به طور ضمنی بر میدان های دمایی گذرا بخش های مجزا تأثیر می گذارد، می توان تأثیری بر میزان تخریب حرارتی مشاهده کرد که در شکل 10 نشان داده شده است.

مورفولوژی های حاصل تأثیر قابل توجهی از دمای بستر پودر اعمال شده را نشان می دهند که هم بر همگنی لایه های تشکیل شده و هم بر وقوع تخریب حرارتی در مرکز بخش های در معرض مجزا تأثیر می گذارد. میزان وقوع نقص را می توان با یافته های ترموگرافی مرتبط دانست که نشان دهنده همبستگی منفی دمای بستر پودر اعمال شده و نرخ خنک سازی مربوطه است، در نتیجه تخریب حرارتی را محدود می کند. علاوه بر این، افزایش دمای بستر پودر با ظهور تاب برداشتن قطعات ساخته شده در ارتباط است، که نشان دهنده نیاز به خنک سازی سریع بخش های در معرض مجزا برای افزایش دقت قطعه هندسی است.

اندازه های مختلف اسفرولیت، که در لایه های متمایز تشکیل شده اند، حاکی از وقوع شرایط حرارتی متفاوت محلی در حوضچه مذاب است که منجر به تغییر سینتیک کریستالیزاسیون و در نتیجه اندازه های اسفرولیت می شود [33]. با در نظر گرفتن ساختارهای کریستالی تشکیل شده در PBF-LB/P همدما، PBF-LB/P غیر همدما باعث تشکیل قطرهای اسفرولیت به میزان قابل توجهی کاهش یافته بدون توجه به موقعیت درون یک لایه خاص می شود. بنابراین، نمونه های تولید شده با استفاده از PBF غیر همدما، همگنی مورفولوژیکی کاهش یافته ای را نشان می دهند که ناشی از نرخ های خنک کننده محلی متفاوت است، که در شکل 11 نشان داده شده است، که ذاتاً مربوط به شرایط پردازش غیر همدما است [34]. برخلاف پردازش همدما، هیچ تفاوت مورفولوژیکی ساختاری در نواحی لبه در قطعات تولید شده با استفاده از پردازش غیر همدما ایجاد نمی شود، که نشان دهنده بهبود بالقوه خواص مکانیکی و تریبولوژیکی سطحی اجزای ساخته شده است.

با در نظر گرفتن تأثیر نرخ های خنک کننده محلی متغیر بر روی قطرهای کروی حاصل [33]، ابعاد کروی مشابه مشاهده شده در صفحه ساخت نشان دهنده همگنی حرارتی غالب در طول قرار گرفتن در معرض بخش های مجزا است.

با استفاده از توموگرافی کامپیوتری، وقوع تخریب حرارتی موضعی عمدتاً به مرکز بخش های مجزا محدود می شود. تشکیل منافذ کروی را می توان با انرژی ورودی بیش از حد به حوضچه مذاب مرتبط دانست که نشان دهنده کاهش سطح چگالی انرژی بهینه است. با این حال، با توجه به چگالی کلی 98. 51٪ ± 0. 31، تولید رضایت بخش اجزای متراکم را می توان نشان داد. توزیع تخلخل فضایی حاصل، وقوع دوره ای از تخریب حرارتی را در صفحه ساخت نشان می دهد. در مقابل، متوسط سطح تخلخل یک تغییر ناپذیری غالب نسبت به ارتفاع ساخت را نشان می دهد که در شکل 12 نشان داده شده است.

توالی نوردهی اعمال شده از بخش های مجزا به طور ضمنی در توزیع تخلخل حاصل نشان داده می شود، و تنوع قابل توجهی از تخلخل مشاهده شده در صفحه YZ را نشان می دهد. تأثیرات ناهمسانگرد مشاهده شده با توالی قرار گرفتن در معرض بخش های متوالی در ارتباط است. با توجه به توالی نوردهی اعمال شده که به صورت محلی شبیه استراتژی پرپیچ و خم است، یک برهم نهی حرارتی از بخش های متوالی در معرض می تواند با تخلخل توزیع شده یکنواخت، ناشی از تجزیه حرارتی، مرتبط باشد. در مقابل، افزایش فاصله زمانی بین قرار گرفتن در معرض بخش هایی که در کنار یکدیگر قرار دارند، تجزیه حرارتی را در ناحیه لبه بخش های مجزا محدود می کند و منجر به تشکیل مناطق متراکم بخش می شود. این یافته ها مطابق با نتایج ترموگرافیک هستند، که نشان دهنده یک برهم نهی حرارتی محلی است، بنابراین بر ظهور محلی تجزیه حرارتی تأثیر می گذارد. در نتیجه ساختار بخش بندی شده استراتژی قرار گرفتن، ویژگی های مورفولوژیکی مشاهده شده نشان دهنده جبران ضمنی انقباض بخش های مجزا به دلیل فرآیند ساخت قطعه بندی شده است. پیامدهای مربوط به دقت ابعادی بالقوه بهبود یافته قطعات ساخته شده در تحقیقات آینده مورد بررسی قرار خواهند گرفت.

بنابراین، بر خلاف PBF شبه همدما، PBF غیر همدما امکان ساخت مقاطع شبه متراکم را فراهم می کند و مورفولوژی لایه ای ناهمسانگرد را نشان می دهد. با این حال، تشکیل محدود محلی تخلخل مستلزم نیاز به بهینه سازی پارامترها برای جلوگیری از تخریب حرارتی است.

5. 4. خواص مواد حرارتی

با استفاده از کالری سنجی اسکن دیفرانسیل ، خواص مشابه ترکیبات تولید شده با استفاده از ایزوترمال و غیر ایزوترمال PBF-LB/P قابل مشاهده است. بر خلاف تبلور ایزوترمال پلی آمید 12 در دمای کاهش یافته محیط ، توصیف شده توسط پاولوچی و همکاران.[14] ، هیچ قله گرمازیمی ، در ارتباط با تبلور سرد ، برای استفاده از دمای بستر پودر 75 درجه سانتیگراد مشاهده می شود ، که در شکل 13 نمایش داده می شود. نتایج نمایش داده شده مطابق با یافته های شرح داده شده توسط ژائو و همکاران است.[13] ، نشان دادن همبستگی منفی از سرعت خنک کننده کاربردی و دمای اوج ذوب نمونه های ساخته شده ، که با استفاده از DSC تعیین می شود.

عدم وجود تبلور سرد نشانگر تبلور غالب بالاتر از دمای بستر پودر کاربردی است ، که مطابق با تحقیقات ترموگرافی است ، و یک فرآیند خنک کننده آهسته را در مقایسه با خاموش شدن حرارتی نشان می دهد ، که توسط پاولوچی و همکاران اعمال می شود.[14]با توجه به یک آنتالپی ذوب 5/53 j/g ± 1. 78 and 78 and 61. 95 j/g ± 1. 35 برای پلی آمید 12 پردازش شده در شرایط غیر ایزوترمال و با استفاده از پردازش شبه ایزوترمال ، به ترتیب ، می توان اختلاف ساختاری را تعیین کرد ، که نشانگر کمی کاهش یافته استتبلورعلاوه بر این ، کاهش نقطه ذوب نمونه های تهیه شده در شرایط غیر ایزو گرمی مشهود است. این مشاهدات مطابق با یافته های شرح داده شده توسط Kigure و همکاران است.[34] برای پردازش غیر ایزوترمال پلی آمید 12 با استفاده از ساختارهای پشتیبانی ، نشان دهنده کاهش قابل مقایسه در درجه تبلور و دمای اوج ذوب است. با توجه به دمای بستر پودر کاربردی ، هیچ تأثیر قابل توجهی از دمای پودر پودر 130 درجه سانتیگراد ، که توسط Kigure و همکاران شرح داده شده است.[34] ، قابل مشاهده است. بنابراین ، تشکیل خواص حرارتی مشابه نشان دهنده تأثیر فرعی دمای بستر پودر بر اصلاحات کریستالی تشکیل شده و درجه تبلور است.

با این حال ، با وجود تغییرات حاشیه ای مشاهده شده در خصوصیات مواد حرارتی ، پردازش غیر ایزوترمال باعث تشکیل خواص ترمو ساختاری مشابه ، در ارتباط با ساختارهای کریستالی مشابه ، در مقایسه با کاربرد PBF-LB/P شبه ایزو گرم می شود.

5. 5تولید هندسه های پیچیده

کاربرد PBF دمای پایین هندسه های پیچیده با زمان های لایه های مختلف [3] همبستگی دارد، که دلالت بر زمان های خنک کننده متفاوت دارد. فنرهای تراکمی تولید شده، نشان داده شده در شکل 14، مناسب بودن استراتژی فرکتال پیشنهادی و پردازش غیر همدما را برای ساخت موفقیت آمیز هندسه هایی با مقاطع مختلف در شرایط پردازش غیر همدما نشان می دهد. در نتیجه، رویکرد پیشنهادی امکان ساخت اجزای دیواره ضخیم و دیواره نازک را بر اساس ترکیبی از نوردهی شبه همزمان محلی و تولید مسیر اسکن فراکتال فراهم می کند. با توجه به دقت هندسی، محدودیت های ساختاری قابل مشاهده است.

انحرافات هندسی حاصل با ضخامت لایه بالا که قبلاً مورد بحث قرار گرفت، مرتبط است، که ناشی از استفاده از نوردهی شبه همزمان و زمان تاثیر حرارتی بالا به طور ضمنی است. در نتیجه، بهینه سازی پارامترهای پردازش کاربردی و شرایط مرزی حرارتی زمینه، پتانسیل افزایش قابل توجهی دقت هندسی را در تحقیقات آینده گنجانده است.

6. نتیجه گیری و چشم انداز

در مقاله حاضر، یک رویکرد جدید برای همجوشی بستر پودری مبتنی بر لیزر پلیمرها پیشنهاد شد. بر اساس ترکیبی از استراتژی های قرار گرفتن در معرض فراکتال و قرار گرفتن در معرض شبه همزمان بخش های مجزا، ساخت غیر همدما و بدون پشتیبانی از هندسه های مختلف قطعات را می توان نشان داد. بر اساس تصویربرداری ترموگرافی، افزایش تدریجی دما در بخش های مجزا از سطح مقطع در معرض شناسایی شد. در ترکیب با تبلور فوری متعاقب بخش های مجزا، قرار گرفتن در معرض گسسته از نظر مکانی و زمانی، پایه روش شناختی پردازش غیر همدما را تشکیل می دهد. با اعمال کاهش قابل توجه دمای بستر پودر، یک مورفولوژی لایه ای به دست آمد که اندازه های اسفرولیت به طور قابل توجهی کاهش یافته و به صورت محلی متفاوت بود. بر اساس استراتژی قرار گرفتن در معرض بخش بندی شده، انقباض بخش های گسسته به سطح مزوسکوپی محدود می شود و امکان ساخت اجزای متراکم را فراهم می کند.

تحقیقات آینده بر بررسی خصوصیات مکانیکی قطعات تولید شده با استفاده از همجوشی بستر پودر دمای پایین ، بهینه سازی پارامترهای فرآیند در ترکیب با اصلاح موضعی هدفمند مورفولوژی قسمت و همچنین ادغام مواد افزودنی حساس حرارتی ، مانند فعال پزشکی ، تمرکز خواهد کرد. مواد ، به قطعات تولیدی. علاوه بر این ، کاهش تعداد لازم مراحل قرار گرفتن در معرض متوالی برای کاهش زمان لایه برای افزایش زنده ماندن اقتصادی PBF-LB/P با دمای پایین ضروری است. بنابراین ، پتانسیل های PBF-LB/P با دمای پایین شامل استفاده از ترکیبات پلیمری با خواص حرارتی واگرا ، کاهش قابل توجهی پیری حرارتی پلیمرها و تولید اجزای چند ماده ای حساس حرارتی است.

کمک های نویسنده

مفهوم سازی ، S. S. ؛نرم افزار ، S. S. ؛تحقیقات ، S. S. ؛روش شناسی ، S. S. و S. G. ؛نوشتن - پیش نویس Original ، S. S. و S. G. ؛بودجه خرید ، نوشتن - بررسی و ویرایش و مدیریت پروژه ، D. D. همه نویسندگان نسخه منتشر شده نسخه خطی را خوانده و موافقت کرده اند.

منابع مالی

تأمین شده توسط Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG ، بنیاد تحقیقات آلمان)-Project-ID 61375930-SFB 814— "تولید افزودنی" TP B03. ما حمایت مالی Deutsche Forschungsgemeinschaft و Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nüberg را در برنامه بودجه "بودجه انتشار دسترسی آزاد" تأیید می کنیم.

بیانیه هیئت بررسی نهادی

بیانیه رضایت آگاهانه

صورت در دسترس بودن داده ها