¿Cómo probar la resistencia de los moldes metálicos de impresión 3D?

一, El método principal para las pruebas de fuerza.
Las pruebas de resistencia de moldes de impresión 3D de metal deben abarcar tres dimensiones: atributos del material, microestructura y control de defectos, creando un ciclo de prueba multi-nivel y multi-dimensional.
1. Prueba del rendimiento mecánico: Índice de resistencia cuantitativa
Prueba de tracción: utilice un equipo de prueba universal para aplicar una carga de tracción axial sobre el material del molde. Esto le indicará su resistencia a la tracción (UTS), límite elástico (YS) y alargamiento de rotura (EL). Por ejemplo, los moldes de aleación de titanio deben cumplir con la norma ASTM E8 y su UTS debe estar entre 800 y 1000 MPa, mientras que su YS debe ser de al menos 700 MPa.
Prueba de compresión: compruebe qué tan estable es el molde cuando se comprime. Esta prueba es especialmente útil para estructuras de soporte o componentes con paredes gruesas. Por ejemplo, es necesario utilizar el estándar GB/T 7314 para comprobar la resistencia a la compresión de los moldes de aleación de aluminio para garantizar que no se doblen cuando se forman bajo alta presión.
La prueba de flexión de tres-puntos o de cuatro-puntos se realiza para ver qué tan rígido es el molde al doblarse y qué tan fuerte es la unión entre las capas. Probar la resistencia a la flexión de moldes de acero inoxidable según la norma ISO 14125 es una forma de evitar que el desprendimiento de las capas intermedias provoque fallas.
Prueba de impacto: utilice una máquina de prueba de impacto de péndulo para imitar cargas dinámicas y descubrir qué tan resistente es el molde (por ejemplo, la energía de impacto Charpy V-muesca). Por ejemplo, el molde para palas de motores de aviación debe cumplir con la norma ASTM E23 para garantizar que no se rompa fácilmente cuando se usa en situaciones difíciles.
Prueba de fatiga: utiliza una máquina de prueba de fatiga de alta-frecuencia para simular cargas de ciclo y determinar cuánto durará el molde antes de que se canse. Los moldes para automóviles, por ejemplo, deben cumplir la norma ISO 12107 y tener un límite de fatiga de al menos 300 MPa para soportar las tensiones del estampado-a alta-presión a largo plazo.
2. Análisis de microestructura: descubrir qué hace posible la resistencia
Utilice un microscopio metalográfico (OM) para observar el tamaño de grano, la composición de fases y la interfaz entre capas del molde. Por ejemplo, los moldes fabricados con SLM (fusión selectiva por láser) suelen tener granos microscópicos equiaxiales, lo que los hace más de un 30 % más resistentes que las piezas fundidas estándar.
Microscopio electrónico de barrido (SEM): observe cómo comienzan y se propagan las grietas, y busque defectos como falta de fusión y porosidad. Por ejemplo, SEM necesita verificar los moldes EBM (fusión por haz de electrones) para asegurarse de que no sean demasiado porosos (menos o igual al 0,5%) y para evitar la concentración de tensiones.
Difracción de retrodispersión de electrones (EBSD): mida la diferencia en la orientación del cristal (valor KAM) y pruebe qué tan bien el material puede deformarse localmente. Por ejemplo, es probable que se desarrollen grietas en lugares con valores KAM altos y se necesita tratamiento térmico para mejorar la orientación de los granos.
3. Encuentre defectos: elimine los riesgos de resistencia ocultos
Escaneo por tomografía computarizada para la industria: pruebas de fallas internas en moldes que no los dañan, como poros, fisuras y puntos donde el molde no se ha fusionado completamente. Por ejemplo, los moldes de aviación deben cumplir la norma ISO 17637 para garantizar que los defectos no superen los 0,1 mm y que las grietas por fatiga no se propaguen.
Las pruebas ultrasónicas (UT) encuentran fallas profundas y funcionan mejor en moldes con paredes gruesas. Por ejemplo, los moldes de paneles de automóviles deben cumplir la norma ASTM E233 para poder encontrar defectos interiores de al menos 50 mm de profundidad.
Espectroscopia de fluorescencia de rayos X (XRF): verifique rápidamente la composición química del molde para asegurarse de que el contenido del elemento sea el que debería ser. Los moldes de aleaciones a base de níquel-, por ejemplo, deben cumplir la norma ISO 3497 para mantener los rangos de componentes críticos como Cr y Mo por debajo del 0,5%.
2, Sistema de estándares de prueba para uso nacional e internacional.
Se debe probar la resistencia de los moldes de impresión 3D de metal de acuerdo con estrictos estándares nacionales e internacionales para garantizar que los datos se puedan comparar y que se sigan las reglas.
1. Estándares de todo el mundo
ISO/ASTM 52900: establece definiciones y clasificaciones para la terminología de impresión 3D, ofreciendo una base fundamental para las pruebas de resistencia.
ISO 23499: establece los estándares para la precisión dimensional y la calidad de la superficie de los artículos metálicos impresos en 3D. Esto tiene un efecto indirecto en las pruebas de fuerza.
ASTM E8/E23/E466: Estos son los principales estándares para las pruebas de resistencia del molde. Te dicen cómo hacer pruebas de tracción, impacto y fatiga.
2. Normas para el hogar
GB/T 39251: Aclarar las reglas para preparar y usar muestras para pruebas de tracción, compresión, flexión y otras pruebas de las propiedades mecánicas de materiales metálicos impresos en 3D.
GB/T 39651: establece los pasos para inspeccionar y evaluar piezas de fabricación aditiva de metal, incluido cómo clasificar defectos y establecer criterios de aceptación.
QB/T 5696: Esta norma habla sobre la calidad de los materiales metálicos de impresión 3D y establece requisitos particulares para aspectos como el tamaño y la fluidez de las partículas de polvo, que afectan la resistencia del molde de forma indirecta.
3, Problemas técnicos importantes y cómo solucionarlos
Para fortalecer los moldes de impresión 3D de metal, necesitamos encontrar formas de abordar problemas como la anisotropía, la tensión residual y la calidad de la superficie. Esto se puede hacer a través de nuevas tecnologías y mejores procesos.
1. Controlar la anisotropía
La resistencia de los moldes impresos en 3D cambia según la orientación de impresión (longitudinal, transversal, oblicua). Por ejemplo, la resistencia longitudinal de los moldes generados por SLM podría ser un 20% mayor que la resistencia transversal.
Solución: Mejore la forma de escanear: utilice un camino de escaneo en forma de tablero de ajedrez o en espiral para hacer que los cambios en la tensión térmica entre las capas sean menos perceptibles.
Fortalecimiento post-procesamiento: el prensado isostático en caliente (HIP) elimina los poros, lo que eleva la densidad del molde a más del 99,9 %.
Pruebas multi-direccionales: se toman muestras en tres direcciones diferentes-longitudinal, transversal y oblicua-para garantizar que la resistencia mínima cumpla con los estándares de diseño.
2. Gestión de la tensión residual Problema: cuando la impresión 3D se enfría demasiado rápido, puede acumularse tensión residual, lo que puede provocar que el molde se doble o se rompa.
Solución: Recocido para aliviar la tensión: manténgalo a 500-600 grados durante 2 a 4 horas para eliminar la tensión interna.
El granallado por choque láser utiliza rayos láser de alta-energía para cambiar la forma de la superficie, agregar tensión residual de compresión y hacer que el material sobreviva más tiempo.
Monitoreo en línea: uso de sensores de fibra óptica- integrados para controlar la distribución de la tensión en tiempo real y cambiar la configuración de impresión según sea necesario.
3. Mejor calidad de la superficie Problema: La rugosidad de la superficie (Ra) de los moldes impresos en 3D suele ser de 10 a 20 μm, lo que los hace fáciles de romper.
Respuesta:
Pulido mecánico: una máquina pulidora CNC puede reducir Ra a menos de 0,8 μm, lo que fortalece la superficie.
Pulido químico: emplear lavado ácido o pulido electrolítico para eliminar pequeños defectos de la superficie y hacer que la superficie sea más resistente a la corrosión.
Shot peening: este proceso añade una capa de tensión de compresión residual a la superficie al golpearla con proyectiles de alta-velocidad. Esto lo hace más resistente a la fatiga.
4, Estudio de caso y práctica industrial
Caso 1: Molde para la pala de un motor de avión
El material es una aleación de alta temperatura-a base de níquel (Inconel 718).
Enfoque de la prueba:
Resistencia a altas temperaturas: El estándar GB/T 4338 dice que la resistencia a la tracción debe probarse a 650 grados para asegurarse de que sea de al menos 800 MPa.
Rendimiento ante la fatiga térmica: utilice la norma ISO 12111 para probar la velocidad de propagación de la fractura durante los ciclos de arranque-parada del motor.
Microestructura: utilice EBSD para observar la distribución de la fase y asegúrese de que el tamaño de la fase de fortalecimiento sea menor o igual a 50 nm. Esto hará que el material sea más estable a altas temperaturas.
El molde dura tres veces más que las piezas fundidas estándar, que es lo que se necesita para que los motores de un avión funcionen durante 100.000 horas.
Caso 2: Molde para cubierta automotriz
Material: Acero de alta resistencia (H13)
Qué probar:
Resistencia al desgaste: La norma ASTM G65 prueba la cantidad de desgaste para garantizar que sea inferior o igual a 0,1 g/1000 rotaciones.
Resistencia al impacto: La energía de impacto Charpy debe ser de al menos 30 J, según la norma ISO 148.
Precisión dimensional: utilice pruebas CMM para asegurarse de que la imprecisión de la superficie del molde sea menor o igual a 0,05 mm.
El molde tiene una duración de 500.000 ciclos de estampado, un 50 % más que otros moldes.