Comment tester la résistance des moules d’impression 3D métalliques ?

一, La principale méthode de test de résistance
Les tests de résistance des moules d'impression 3D métalliques doivent englober trois dimensions : les attributs des matériaux, la microstructure et le contrôle des défauts, créant ainsi une boucle de test multi-niveau et multi-dimensionnelle.
1. Test des performances mécaniques : Indice de résistance quantitative
Test de traction : utilisez un équipement de test universel pour appliquer une charge de traction axiale sur le matériau du moule. Cela vous indiquera sa résistance à la traction (UTS), sa limite d'élasticité (YS) et son allongement à la rupture (EL). Par exemple, les moules en alliage de titane doivent répondre à la norme ASTM E8, et leur UTS doit être compris entre 800 et 1 000 MPa, tandis que leur YS doit être d'au moins 700 MPa.
Test de compression : vérifiez la stabilité du moule lorsqu'il est comprimé. Ce test est particulièrement utile pour supporter des structures ou des composants à parois épaisses. Par exemple, la norme GB/T 7314 doit être utilisée pour vérifier la résistance à la compression des moules en alliage d'aluminium afin de s'assurer qu'ils ne se plient pas lorsqu'ils sont formés sous haute pression.
Le test de flexion en trois-ou quatre-points est effectué pour voir la rigidité du moule lorsqu'il se plie et la force de la liaison entre les couches. Tester la résistance à la flexion des moules en acier inoxydable conformément à la norme ISO 14125 est un moyen d'empêcher le pelage des couches intermédiaires de provoquer une défaillance.
Test d'impact : utilisez une machine d'essai d'impact pendulaire pour imiter les charges dynamiques et découvrir la résistance du moule (par exemple, l'énergie d'impact de l'encoche Charpy V-). Par exemple, le moule des aubes de moteurs d'aviation doit répondre à la norme ASTM E23 pour garantir qu'il ne se brise pas facilement lorsqu'il est utilisé dans des situations difficiles.
Test de fatigue : utilisez une machine d'essai de fatigue à haute fréquence-pour simuler des charges cycliques et déterminer combien de temps le moule durera avant de se fatiguer. Les moules automobiles, par exemple, doivent répondre à la norme ISO 12107 et avoir une limite de fatigue d'au moins 300 MPa pour supporter les contraintes d'estampage à haute pression-à long terme-.
2. Analyse de la microstructure : découvrir ce qui rend la résistance possible
Utilisez un microscope métallographique (OM) pour examiner la taille des grains, la composition des phases et l'interface intercouche du moule. Par exemple, les moules fabriqués avec SLM (Selective Laser Melting) ont souvent des grains microscopiques équiaxes, ce qui les rend plus de 30 % plus résistants que les pièces moulées standard.
Microscope électronique à balayage (MEB) : observez comment les fissures commencent et se propagent, et recherchez des défauts tels que le manque de fusion et la porosité. Par exemple, SEM doit vérifier les moules EBM (fusion par faisceau d'électrons) pour s'assurer qu'ils ne sont pas trop poreux (inférieur ou égal à 0,5 %) et pour éviter la concentration de contraintes.
Diffraction par rétrodiffusion électronique (EBSD) : mesurez la différence d'orientation des cristaux (valeur KAM) et testez la capacité du matériau à se déformer localement. Par exemple, les endroits présentant des valeurs KAM élevées sont susceptibles de développer des fissures et un traitement thermique est nécessaire pour améliorer l'orientation des grains.
3. Rechercher les défauts : éliminer les risques cachés liés à la solidité
Tomodensitométrie pour l'industrie : test des défauts internes des moules qui ne les endommagent pas, comme les pores, les fissures et les endroits où le moule n'a pas complètement fusionné. Par exemple, les moules d'aviation doivent répondre à la norme ISO 17637 pour garantir que les défauts ne dépassent pas 0,1 mm et que les fissures de fatigue ne se propagent pas.
Les tests par ultrasons (UT) détectent les défauts profonds et fonctionnent mieux sur les moules à parois épaisses. Par exemple, les moules de panneaux de voiture doivent répondre à la norme ASTM E233 afin de détecter des défauts intérieurs d'au moins 50 mm de profondeur.
Spectroscopie de fluorescence X-(XRF) : vérifiez rapidement la composition chimique du moule pour vous assurer que le contenu en éléments est ce qu'il devrait être. Les moules en alliage à base de nickel-, par exemple, doivent répondre à la norme ISO 3497 pour maintenir les plages de constituants critiques comme le Cr et le Mo en dessous de 0,5 %.
2, Système de normes de test pour une utilisation internationale et nationale
La résistance des moules d'impression 3D en métal doit être testée selon des normes internationales et nationales strictes pour garantir que les données peuvent être comparées et que les règles sont respectées.
1. Des normes du monde entier
ISO/ASTM 52900 : établit des définitions et des classifications pour la terminologie de l'impression 3D, offrant une base fondamentale pour les tests de résistance.
ISO 23499 : définit les normes en matière de précision dimensionnelle et de qualité de surface des objets métalliques imprimés en 3D. Cela a un effet indirect sur les tests de résistance.
ASTM E8/E23/E466 : ce sont les principales normes pour les tests de résistance aux moules. Ils vous expliquent comment effectuer des essais de traction, d'impact et de fatigue.
2. Normes pour la maison
GB/T 39251 : clarifier les règles de préparation et d'utilisation des échantillons pour les tests de traction, de compression, de flexion et autres tests des propriétés mécaniques des matériaux métalliques imprimés en 3D.
GB/T 39651 : décrit les étapes d'inspection et d'évaluation des pièces de fabrication additive métallique, y compris la manière de classer les défauts et de définir les critères d'acceptation.
QB/T 5696 : Cette norme traite de la qualité des matériaux d'impression 3D métalliques et fixe des exigences particulières pour des éléments tels que la taille et la fluidité des particules de poudre, qui affectent indirectement la résistance du moule.
3, Problèmes techniques importants et comment les résoudre
Pour rendre les moules d’impression 3D métalliques plus solides, nous devons trouver des moyens de résoudre des problèmes tels que l’anisotropie, les contraintes résiduelles et la qualité de surface. Cela peut être réalisé grâce à de nouvelles technologies et à de meilleurs processus.
1. Contrôler l'anisotropie
La résistance des moules imprimés en 3D change en fonction de l'orientation d'impression (longitudinale, transversale, oblique). Par exemple, la résistance longitudinale des moules générés par SLM pourrait être 20 % supérieure à la résistance transversale.
Solution : Améliorez la façon dont vous numérisez : utilisez un chemin de numérisation en damier ou en spirale pour rendre les changements de contrainte thermique entre les couches moins perceptibles.
Renforcement après-traitement : le pressage isostatique à chaud (HIP) élimine les pores, augmentant ainsi la densité du moule à plus de 99,9 %.
Tests multi-directionnels : des échantillons sont prélevés dans trois directions différentes-longitudinale, transversale et oblique-pour garantir que la résistance minimale est conforme aux normes de conception.
2. Gestion des contraintes résiduelles Problème : Lorsque l'impression 3D refroidit trop rapidement, elle peut accumuler des contraintes résiduelles, ce qui peut faire plier ou briser le moule.
Solution : recuit anti-stress : maintenez-le à 500-600 degrés pendant 2 à 4 heures pour relâcher le stress interne.
Le grenaillage par choc laser utilise des faisceaux laser-à haute énergie pour modifier la forme de la surface, ajouter une contrainte résiduelle de compression et prolonger la durée de vie du matériau.
Surveillance en ligne : utilisation de-capteurs à fibre optique intégrés pour surveiller la répartition des contraintes en temps réel et modifier les paramètres d'impression si nécessaire.
3. Meilleure qualité de surface Problème : La rugosité de surface (Ra) des moules imprimés en 3D est généralement de 10 à 20 μm, ce qui les rend faciles à briser.
Répondre:
Polissage mécanique : une machine de polissage CNC peut abaisser Ra à moins de 0,8 μm, ce qui rend la surface plus solide.
Polissage chimique : utilisation d'un lavage acide ou d'un polissage électrolytique pour éliminer les petits défauts de surface et rendre la surface plus résistante à la corrosion.
Grenaillage : ce processus ajoute une couche de contrainte de compression résiduelle à la surface en la frappant avec des projectiles-à grande vitesse. Cela le rend plus résistant à la fatigue.
4, étude de cas et pratique de l'industrie
Cas 1 : Moule pour pale de moteur d’avion
Le matériau est un alliage à haute température-à base de nickel-(Inconel 718).
Objectif du test :
Résistance à haute température : La norme GB/T 4338 indique que la résistance à la traction doit être testée à 650 degrés pour s'assurer qu'elle est d'au moins 800 MPa.
Performances en fatigue thermique : utilisez la norme ISO 12111 pour tester le taux de propagation des fractures pendant les cycles de démarrage-arrêt du moteur.
Microstructure : utilisez EBSD pour examiner la répartition de la phase et assurez-vous que la taille de la phase de renforcement est inférieure ou égale à 50 nm. Cela rendra le matériau plus stable à haute température.
Le moule dure trois fois plus longtemps que les pièces moulées standard, ce qui est nécessaire pour que les moteurs d'avion fonctionnent pendant 100 000 heures.
Cas 2 : Moule pour une couverture automobile
Matériau : Acier à haute résistance (H13)
Que tester :
Résistance à l'usure : La norme ASTM G65 teste la quantité d'usure pour s'assurer qu'elle est inférieure ou égale à 0,1 g/1000 rotations.
Résistance aux chocs : L'énergie d'impact Charpy doit être d'au moins 30 J, selon la norme ISO 148.
Précision dimensionnelle : utilisez les tests CMM pour vous assurer que l'imprécision de la surface du moule est inférieure ou égale à 0,05 mm.
Le moule dure 500 000 cycles d'estampage, soit 50 % plus longtemps que les autres moules.