Laseradditiv fremstilling (LAM) kombineret med CNC-genbehandling (computer numeric control) repræsenterer en transformerende tilgang inden for moderne fremstilling, der muliggør produktion af komplekse kompositkomponenter med skræddersyede egenskaber. Denne hybride fremstillingsproces integrerer lag-for-lag materialeaflejring af LAM med CNC's præcisionssubtraktive bearbejdning, hvilket muliggør skabelse af dele med indviklede geometrier, forbedrede mekaniske egenskaber og forbedrede overfladefinisher. Grænsefladen mellem LAM-aflejret materiale og CNC-genbehandlede områder introducerer dog betydelige udfordringer relateret til mikrostrukturkontinuitet og termisk stressudvikling. Disse fænomener forekommer på tværs af flere tidsskalaer, fra de hurtige termiske cyklusser under laserbehandling til de langsommere mekaniske og termiske interaktioner under ... CNC bearbejdningForståelse af samspillet mellem mikrostrukturkontinuitet og termisk belastning er afgørende for at optimere ydeevnen, pålideligheden og holdbarheden af ​​kompositkomponenter produceret gennem denne hybride tilgang.

Denne artikel udforsker kontinuiteten af ​​mikrostrukturen ved grænsefladen mellem LAM-CNC-genbehandlede kompositkomponenter og udviklingen af ​​termisk stress på tværs af flere tidsskalaer. Den dykker ned i de grundlæggende principper for LAM- og CNC-processer, de metallurgiske transformationer ved grænsefladen og de mekanismer, der styrer udviklingen af ​​termisk stress. Nyere studier gennemgås for at give en omfattende forståelse af disse fænomener, understøttet af detaljerede tabeller, der sammenligner nøgleparametre og resultater. Artiklen er struktureret til at give en grundig, videnskabelig undersøgelse af emnet, der er egnet til forskere, ingeniører og akademikere inden for materialevidenskab, maskinteknik og additiv fremstilling.

Grundlæggende om laseradditiv fremstilling og CNC-genbehandling

Laseradditiv fremstilling

Laseradditiv fremstilling omfatter teknikker som laserpulverlejefusion (LPBF) og lasermetalaflejring (LMD), der bruger en højenergilaser til at smelte og sammensmelte metalliske eller kompositpulvere lag for lag. LPBF involverer for eksempel at sprede et tyndt lag pulver på en byggeplatform, selektivt smelte det med en laser og størkne det for at danne en fast struktur. LMD føder derimod pulver eller tråd koaksialt ind i en laserstråle for at aflejre materiale på et substrat. Disse processer muliggør fremstilling af komplekse geometrier med høj præcision, hvilket gør dem velegnede til luftfart, biomedicin og bilindustrien. De hurtige opvarmnings- og afkølingscyklusser i LAM resulterer dog i uensartede mikrostrukturer, høje restspændinger og potentielle defekter såsom porøsitet og revner.

Mikrostrukturen af ​​LAM-komponenter påvirkes af procesparametre såsom lasereffekt, scanningshastighed og lugeafstand. For eksempel reducerer høj lasereffekt og lav scanningshastighed kølehastigheder, hvilket fører til grovere mikrostrukturer, mens lavere effekt og højere hastigheder producerer finere korn på grund af hurtig størkning. Den resulterende mikrostruktur udviser ofte høje dislokationstætheder, cellulære strukturer og anisotropisk kornvækst, hvilket kan påvirke mekaniske egenskaber og korrosionsbestandighed.

CNC-genbearbejdning

CNC-genbearbejdning involverer subtraktive bearbejdningsteknikker, såsom fræsning, drejning eller slibning, for at forfine geometrien, overfladefinishen og dimensionsnøjagtigheden af ​​LAM-komponenter. CNC-bearbejdning fjerner materiale fra den originale LAM-del og løser dermed problemer som overfladeruhed og dimensionstolerancer, der ofte er suboptimale i additiv fremstilling. Den mekaniske interaktion mellem skæreværktøjet og LAM-materialet inducerer lokaliserede spændinger og potentielle mikrostrukturelle ændringer, især ved grænsefladen mellem det LAM-aflejrede materiale og den bearbejdede overflade.

Integrationen af ​​CNC-genbehandling med LAM skaber en hybrid fremstillingsproces, der udnytter styrkerne ved både additive og subtraktive metoder. Overgangszonen mellem det LAM-aflejrede materiale og den CNC-bearbejdede overflade introducerer dog kompleksiteter i mikrostrukturens kontinuitet og spændingsfordeling, hvilket er afgørende for komponentens ydeevne.

Hybrid LAM-CNC-proces

Hybrid LAM-CNC-processen involverer aflejring af materiale via LAM, efterfulgt af CNC-bearbejdning for at opnå den ønskede geometri og overfladekvalitet. Denne tilgang er især fordelagtig for kompositkomponenter, hvor forstærkninger såsom keramiske partikler eller fibre er inkorporeret i en metalmatrix for at forbedre egenskaber som styrke, hårdhed og slidstyrke. Grænsefladen mellem den LAM-aflejrede komposit og den CNC-bearbejdede overflade er et kritisk område, hvor mikrostrukturkontinuitet og termisk stressudvikling skal styres omhyggeligt for at forhindre defekter og sikre optimal ydeevne.

Mikrostrukturkontinuitet ved LAM-CNC-grænsefladen

Mikrostrukturelle egenskaber ved LAM-komponenter

LAM-processer producerer unikke mikrostrukturelle egenskaber på grund af deres hurtige størkningshastigheder og komplekse termiske historik. Disse egenskaber omfatter:

• Høj dislokationstæthedDen hurtige afkøling i LAM resulterer i en høj tæthed af dislokationer, som bidrager til materialets styrke, men også kan føre til restspændinger.

• Cellulære og dendritiske strukturerSmeltepool-dynamikken i LAM skaber cellulære eller dendritiske understrukturer med cellestørrelser fra submikron til flere mikron, afhængigt af kølehastigheden og legeringssammensætningen.

• Anisotropisk kornvækstDen retningsbestemte varmestrøm i LAM fører til søjleformet kornvækst langs byggeretningen, hvilket resulterer i anisotrope mekaniske egenskaber.

• FasetransformationerI legeringer som Ti-6Al-4V kan hurtig afkøling føre til dannelse af martensitiske faser, såsom α′-martensit, som påvirker de mekaniske og korrosionsegenskaber.

Disse mikrostrukturelle egenskaber påvirkes af procesparametre og materialesammensætning. For eksempel producerer en kontinuerlig scanningsstrategi i LPBF af 316L rustfrit stål mindre korn- og cellestørrelser (400-900 nm celler inden for 40-60 μm korn) sammenlignet med stribestrategier, hvilket forbedrer de mekaniske egenskaber.

Mikrostrukturelle ændringer under CNC-genbearbejdning

CNC-bearbejdning introducerer mekanisk deformation og lokaliseret opvarmning på overfladen af ​​LAM-komponenter, hvilket ændrer mikrostrukturen i det bearbejdede område. Vigtige ændringer omfatter:

• OverfladeomkrystallisationDen mekaniske energi fra skæring kan fremkalde omkrystallisation i det overfladenære område og omdanne de oprindelige søjleformede korn til finere, ligeaksede korn.

• PlastdeformationSkæreprocessen introducerer plastisk tøjning, hvilket fører til øget dislokationstæthed og potentiel deformationshærdning i det bearbejdede lag.

• Termiske effekterFriktion mellem skæreværktøjet og emnet genererer lokaliseret varme, som kan forårsage fasetransformationer eller udglødning i det overfladenære område, afhængigt af den opnåede temperatur.

Disse ændringer skaber en tydelig mikrostrukturel overgangszone ved LAM-CNC-grænsefladen, hvor den oprindelige LAM-mikrostruktur møder den CNC-ændrede overflade. Det er afgørende at sikre kontinuitet på tværs af denne grænseflade for at opretholde komponentens mekaniske integritet.

Mekanismer for mikrostrukturkontinuitet

Mikrostrukturkontinuitet refererer til den problemfri integration af mikrostrukturelle funktioner på tværs af LAM-CNC-grænsefladen, hvilket minimerer defekter såsom revner, delaminering eller pludselige ændringer i kornmorfologien. Flere mekanismer styrer denne kontinuitet:

• KorngrænsekohesionJusteringen af ​​korngrænserne mellem det LAM-aflejrede materiale og den CNC-bearbejdede overflade påvirker grænsefladenes styrke. Forkerte grænser kan føre til spændingskoncentrationer og revnedannelse.

• FasekompatibilitetI kompositkomponenter er kompatibiliteten mellem matrix- og armeringsfaserne (f.eks. TiC-partikler i en titaniummatrix) afgørende. CNC-bearbejdning kan forstyrre fordelingen af ​​armeringer, hvilket fører til faseadskillelse eller grænsefladeafbrydelse.

• Termisk historikmatchningTermisk historik under LAM- og CNC-processer skal kontrolleres for at minimere forskelle i mikrostrukturudvikling. For eksempel kan forvarmning af substratet under LAM reducere termiske gradienter og dermed fremme en mere ensartet kornvækst.

Nyere undersøgelser har vist, at optimering af CNC-parametre, såsom skærehastighed og tilspændingshastighed, kan minimere mikrostrukturforstyrrelser. For eksempel reducerer lave skærehastigheder friktionsvarme, hvilket bevarer den oprindelige mikrostruktur, mens høje hastigheder kan forårsage omkrystallisation eller faseændringer.

Udfordringer ved at opretholde mikrostrukturkontinuitet

Det er udfordrende at opretholde mikrostrukturkontinuitet ved LAM-CNC-grænsefladen på grund af:

• Termisk uoverensstemmelseDe hurtige termiske cyklusser i LAM står i kontrast til den lokaliserede opvarmning i CNC, hvilket fører til forskelle i kornstørrelse og fasesammensætning på tværs af grænsefladen.

• Mekanisk stressCNC-bearbejdning introducerer forskydningsspændinger, der kan forårsage mikrorevner eller delaminering, især i kompositter med sprøde forstærkninger.

• Omfordeling af forstærkningerI metalmatrixkompositter (MMC'er) kan CNC-bearbejdning omfordele keramiske partikler, hvilket skaber ujævne forstærkningsfordelinger, der svækker grænsefladen.

For at imødegå disse udfordringer har forskere udforsket strategier som laserassisteret CNC-bearbejdning, hvor en laser forvarmer emnet for at reducere skærekræfter og termiske gradienter, og efterbehandling med varmebehandling for at homogenisere mikrostrukturen.

Udvikling af termisk stress på tværs af flere tidsskalaer

Termisk stress i LAM-processer

Termisk spænding i LAM opstår fra de hurtige opvarmnings- og afkølingscyklusser, der er forbundet med processen. Disse spændinger udvikler sig over flere tidsskalaer:

• Korte tidsskalaer (mikrosekunder til millisekunder)Under laserscanning oplever smeltebassinet hurtig opvarmning (op til 10^6 K/s) og afkøling (10^4–10^6 K/s), hvilket fører til stejle temperaturgradienter og høje termiske spændinger. Disse spændinger skyldes primært uoverensstemmelser i termisk udvidelse og kontraktion mellem de smeltede og størknede områder.

• Mellemliggende tidsskalaer (sekunder til minutter)Efterhånden som flere lag aflejres, forekommer der cyklisk genopvarmning og gensmeltning, hvilket akkumulerer restspændinger på tværs af komponenten. Disse spændinger påvirkes af scanningsstrategien og laserparametrene, hvor kontinuerlig scanning producerer lavere spændinger end ø-strategier på grund af mere ensartet varmefordeling.

• Lange tidsskalaer (timer til dage)Efterbehandlinger, såsom udglødning eller varm isostatisk presning (HIP), kan aflaste restspændinger, men kan ændre mikrostrukturen og potentielt reducere de mekaniske egenskaber.

Størrelsen og fordelingen af ​​termiske spændinger afhænger af materialeegenskaber, såsom termisk udvidelseskoefficient (CTE), og procesparametre. For eksempel udviser materialer med lav CTE, som Invar, reducerede termiske spændinger i LAM.

Termisk stress under CNC-genbearbejdning

CNC-bearbejdning introducerer yderligere termiske spændinger på grund af friktionsopvarmning og mekanisk deformation. Disse spændinger er lokaliseret til den bearbejdede overflade og udvikler sig over forskellige tidsskalaer:

• Korte tidsskalaer (millisekunder til sekunder)Friktionsopvarmning under skæring genererer lokale temperaturstigninger, som kan forårsage termiske spændinger i området nær overfladen. Disse spændinger er typisk trykpåvirkninger på grund af den mekaniske begrænsning fra skæreværktøjet.

• Mellemliggende tidsskalaer (minutter)Efterhånden som bearbejdningen skrider frem, akkumuleres varme i emnet, hvilket potentielt forårsager termisk udvidelse og spændingsrelaksation i det LAM-aflejrede materiale.

• Lange tidsskalaer (timer)Køling efter bearbejdning kan føre til restspændingsfordeling, især hvis komponenten ikke er termisk stabiliseret.

Samspillet mellem LAM-inducerede restspændinger og CNC-inducerede spændinger kan forværre defekter som vridning eller revner, især i kompositter med uoverensstemmelser mellem CTE'er og matrix og forstærkninger.

Multiskalamodellering af termisk stress

Modellering af termisk spændingsudvikling i LAM-CNC-komponenter kræver multiskalatilgange for at indfange det komplekse samspil mellem termiske og mekaniske fænomener. Nøglemetoder omfatter:

• Finite Element Method (FEM)FEM bruges til at simulere varmeoverførsel, smeltebassindynamik og restspændingsudvikling under LAM. Det tager højde for temperaturafhængige materialeegenskaber og faseændringer.

• Cellular Automata (CA)CA-modeller simulerer kornvækst og mikrostrukturudvikling og giver indsigt i virkningerne af termiske gradienter på størkningsstrukturer.

• Fasefeltmetode (PF)PF-metoder modellerer fasetransformationer og dendritdannelse og indfanger de mikrostrukturelle ændringer på nano- og mikroskala.

• Computational Fluid Dynamics (CFD)CFD simulerer strømning og varmeoverførsel i smeltebade og forudsiger effekten af ​​laserparametre på termisk belastning.

Disse modeller er blevet koblet for at forudsige udviklingen af ​​termisk stress på tværs af flere tidsskalaer. For eksempel er en CA-FEM-koblet model blevet brugt til at simulere mikrostrukturændring og spændingsudvikling i LPBF af Ti-6Al-4V, hvilket afslører effekten af ​​lasereffekt og scanningshastighed på kornmorfologi og restspænding.

Afbødningsstrategier for termisk stress

Reduktion af termisk stress i LAM-CNC-komponenter involverer optimering af procesparametre og efterbehandlingsteknikker:

• ForvarmningForvarmning af substratet under LAM reducerer temperaturgradienter og dermed restspændinger. For eksempel kan forvarmning af Ti-6Al-4V til 400°C reducere resttrækspændingen med 50%.

• Optimering af scanningsstrategiKontinuerlige scanningsstrategier minimerer termiske gradienter sammenlignet med ø- eller stribestrategier, hvilket reducerer stresskoncentrationer.

• Efterbehandling af varmebehandlingerTeknikker som HIP og udglødning aflaster restspændinger, men kan forgrove mikrostrukturen og dermed påvirke de mekaniske egenskaber.

• Laserassisteret CNCForvarmning af emnet med en laser under CNC-bearbejdning reducerer skærekræfter og termiske belastninger, hvilket forbedrer overfladekvaliteten.

Nylige studier og fremskridt

Mikrostrukturkontinuitetsstudier

Nyere studier har forbedret forståelsen af ​​mikrostrukturkontinuitet i LAM-CNC-komponenter:

• Wang et al. (2020) undersøgte den mikrostrukturelle udvikling af en CrMnFeCoNi højentropilegering under cykliske hurtige termiske belastninger i selektiv lasersmeltning (SLM). De fandt, at cykliske termiske belastninger inducerer dislokationsnetværk, der øger styrken, men kan forstyrre kontinuiteten ved maskinbearbejdede grænseflader.

• Liu et al. (2018) studerede WC-forstærkede Fe-baserede kompositter fremstillet af LAM og bemærkede, at gradientforstærknings-/matrixgrænseflader forbedrer mikrostrukturens kontinuitet ved at reducere termiske mismatch-spændinger.

• Salman et al. (2019) undersøgte tilsætningen af ​​TiB2 til 316L rustfrit stål i SLM og fandt, at TiB2 fremmer finere kornstrukturer og forbedrer grænsefladekohæsionen under CNC-genbearbejdning.

Studier af termisk stressudvikling

Fremskridt inden for modellering og afbødning af termisk stress omfatter:

• Chen et al. (2021) brugte EBSD til at analysere LAM-stål, hvilket demonstrerede, at eftervarmebehandlinger kan homogenisere kornmorfologien og reducere restspændinger, hvilket forbedrer grænsefladestabiliteten.

• Zhao et al. (2020) undersøgte lasermetalaflejring af AA5024 med nanopartikulært TiC og fandt, at optimerede laserparametre reducerer termiske spændinger og forbedrer mikrostrukturkontinuiteten.

• Dong et al. (2020) udviklede en FEM-model til at simulere termisk adfærd i SLM af AlSi10Mg, korrelerede mikrostrukturheterogeniteter med restspændingsudvikling og foreslog scanningsstrategier til at minimere spændinger.

Maskinlæring og optimering

Maskinlæring (ML) er blevet et effektivt værktøj til optimering af LAM-CNC-processer:

• Tang et al. (2023) Brugte ML til at estimere keramisk mikrostruktur under lasersintring, optimerede parametre for at minimere termiske belastninger og opretholde mikrostrukturkontinuitet.

• Du et al. (2023) anvendte et Pareto aktivt læringsrammeværk til at optimere LPBF-parametre for Ti-6Al-4V, hvilket opnåede høj styrke og duktilitet med minimal termisk belastning.

• Saemathong et al. (2023) sammenlignede termiske energiberegningsmodeller for LAM ved hjælp af ML til at forfine procesparametre og reducere restspændinger.

Sammenlignende analyse og datatabeller

For at give en omfattende sammenligning af mikrostrukturkontinuitet og termisk spændingsudvikling opsummerer følgende tabeller nøgleresultater fra nylige undersøgelser og procesparametre.

Tabel 1: Mikrostrukturelle egenskaber ved LAM-CNC-komponenter

Tabel 2: Udvikling af termisk stress på tværs af tidsskalaer

Tabel 3: Procesparameteroptimering for mikrostruktur og stresskontrol

Fremtidige retninger og udfordringer

Integrationen af ​​LAM- og CNC-genbearbejdning giver et betydeligt potentiale for produktion af højtydende kompositkomponenter, men der er stadig adskillige udfordringer:

• MultiskalamodelleringUdvikling af omfattende modeller, der forbinder fasetransformationer på nanoskala med stressudvikling på makroskala, er afgørende for at forudsige og kontrollere grænsefladeadfærd.

• Real-time overvågningImplementering af realtidsovervågningssystemer, såsom dem, der bruger maskinlæring, kan optimere procesparametre og sikre mikrostrukturkontinuitet.

• Materialespecifikke strategierTilpasning af procesparametre til specifikke materialesystemer, især kompositter med komplekse forstærkningsfaser, er afgørende for at minimere defekter.

• BæredygtighedReduktion af energiforbrug og materialespild i hybride LAM-CNC-processer er en voksende bekymring, der kræver innovationer inden for proceseffektivitet og genbrug.

Fremtidig forskning bør fokusere på at integrere avancerede beregningsværktøjer, såsom maskinlæring og multifysiksimuleringer, med eksperimentel validering for at opnå præcis kontrol over mikrostruktur og stress. Samarbejde mellem den akademiske verden og industrien vil være afgørende for at omsætte disse fremskridt til praktiske anvendelser.

Konklusion

Kontinuiteten af ​​mikrostrukturen ved grænsefladen mellem LAM-CNC-genbehandlede kompositkomponenter og udviklingen af ​​termisk stress på tværs af flere tidsskalaer er kritiske faktorer for at bestemme ydeevnen af ​​hybridfremstillede dele. Det komplekse samspil mellem hurtige termiske cyklusser i LAM og mekaniske belastninger i CNC-bearbejdning skaber unikke udfordringer med at opretholde mikrostrukturkontinuitet og håndtere termisk stress. Nylige undersøgelser har givet værdifuld indsigt i disse fænomener og fremhævet vigtigheden af ​​optimerede procesparametre, efterbehandlinger og avancerede modelleringsteknikker. Ved at imødegå disse udfordringer gennem innovative strategier og tværfaglig forskning kan LAM-CNC-hybridprocessen åbne op for nye muligheder for fremstilling af højtydende kompositkomponenter med anvendelser inden for luftfart, biomedicin og videre.

Genudskrivningserklæring: Hvis der ikke er særlige instruktioner, er alle artikler på dette websted originale. Angiv venligst kilden til genudskrivning: https://www.cncmachiningptj.com/，tak!

PTJ® leverer et komplet sortiment af Custom Precision cnc bearbejdningskina services.ISO 9001: 2015 & AS-9100 certificeret. 3, 4 og 5-akse CNC-bearbejdningstjenester med hurtig præcision inklusive fræsning, drejning til kundespecifikationer, I stand til bearbejdede metal- og plastdele med +/- 0.005 mm tolerance. Sekundære tjenester inkluderer CNC og konventionel slibning, boring,die casting,metalplader og stempling.Tilvejebringelse af prototyper, fulde produktionskørsler, teknisk support og fuld inspektion.Serverer automotive, rumfart, skimmel & armatur, led-belysning,medicinsk, cykel og forbruger elektronik industrier. Levering til tiden. Fortæl os lidt om dit projekts budget og forventet leveringstid. Vi vil planlægge sammen med dig for at levere de mest omkostningseffektive tjenester for at hjælpe dig med at nå dit mål, velkommen til at kontakte os ( sales@pintejin.com ) direkte til dit nye projekt.