Thiết kế ngược cho công nghệ bồi đắp vật liệu
Tóm tắt
Công nghệ bồi đắp vật liệu, hay in 3D, dựa vào dữ liệu kích thước 3D để sản xuất và kiểm tra các bộ phận Thiết kế ngược là phương pháp tạo ra dữ liệu 3D cần thiết, thông qua việc đo lường và chuyển đổi thông tin thành mô hình CAD 3D Mặc dù phần mềm CAD có thể tái tạo các tính năng, nhưng các đối tượng phức tạp đòi hỏi nhiều phép đo và xử lý để có mô hình rõ ràng Đo lường thủ công các hạng mục phức tạp có thể dẫn đến kết quả không đồng nhất, do đó, cần một phương pháp đo chi tiết mạnh mẽ và có thể lặp lại.
Metrology là khoa học đo lường, xác định bởi Văn phòng đo lường quốc tế
Metrology, hay khoa học đo lường, bao gồm cả thực nghiệm và lý thuyết trong các lĩnh vực khoa học và công nghệ Trong ngành sản xuất công nghiệp, thuật ngữ "metrology" được sử dụng để chỉ các thiết bị đo lường Có nhiều loại thiết bị và phần mềm kỹ thuật hỗ trợ cho thiết kế ngược và kiểm tra chi tiết, với việc lựa chọn thiết bị dựa trên yêu cầu cụ thể như độ chính xác, mật độ dữ liệu, và phương pháp đo Tương tự, phần mềm thiết kế ngược cũng được chọn dựa trên nhu cầu ứng dụng, bao gồm kỹ năng vận hành và mức độ tự động hóa mong muốn Bài viết này sẽ cung cấp cái nhìn sâu sắc về những yếu tố cơ bản cần xem xét trong việc đo lường và phần mềm hỗ trợ cho công nghệ bồi đắp vật liệu.
Giới thiệu chung
Công nghệ bồi đắp vật liệu 3D là phương pháp xây dựng chi tiết bằng cách xếp chồng các lớp vật liệu theo thứ tự Mô hình 3D của chi tiết được phân chia thành các lớp mỏng thông qua phần mềm chuyên dụng, giúp tạo ra sản phẩm cuối cùng một cách chính xác và hiệu quả.
Do vậy, mô hình 3D chất lượng cao rất quan trọng cho quá trình bồi đắp vật liệu đạt hiệu quả.
Thiết kế ngược là quá trình thu thập dữ liệu hình học 3D thông qua các phép đo và sử dụng phần mềm chuyên dụng để chuyển đổi dữ liệu đó thành thông tin hữu ích Thông tin này có thể được áp dụng để tạo ra các mô hình 3D mới hoặc để kiểm tra các chi tiết in 3D Cả hai ứng dụng này đều mang lại giá trị quan trọng trong lĩnh vực thiết kế và sản xuất.
“luồng kỹ thật số” có thể được thiết lập và duy trì cho một sản phẩm.
Luồng kỹ thuật số là khái niệm cho phép sản phẩm hoặc chi tiết có định nghĩa kỹ thuật số được sử dụng xuyên suốt vòng đời của nó Điều này mang lại cho người dùng cơ hội áp dụng các quy trình kỹ thuật số trong sản xuất, kiểm tra và tiếp thị Trong suốt vòng đời sản phẩm, các sửa đổi và nâng cấp có thể tận dụng luồng dữ liệu kỹ thuật số để phát triển sản phẩm mới hoặc cải tiến quy trình Các công ty nhờ vậy giảm thời gian tiếp thị và mở rộng khả năng tùy chỉnh hàng loạt, mang lại giá trị cao hơn khi thâm nhập vào các thị trường mới.
Quy trình thiết kế ngược bao gồm hai bước chính: đo lường và xử lý Để thực hiện đo lường chính xác, người dùng cần lựa chọn hệ thống đo lường phù hợp dựa trên độ chính xác, mật độ dữ liệu, và các đặc tính bề mặt Hệ thống này có thể thu thập dữ liệu thông qua ba phương pháp chính: đầu dò tiếp xúc, quét bề mặt, và quét khối lượng Quyết định về việc sử dụng dữ liệu dựa trên các tính năng hoặc dữ liệu đám mây điểm sẽ đảm bảo lựa chọn hệ thống đo lường tối ưu Ngoài ra, người dùng cũng cần chọn phần mềm xử lý phù hợp với loại dữ liệu thu thập được Việc kéo một đám mây điểm dày đặc vào phần mềm CAD 3D tiêu chuẩn không phải là lựa chọn tốt; thay vào đó, sử dụng công cụ đảo ngược chuyên biệt để trích xuất bề mặt từ đám mây điểm sẽ mang lại hiệu quả cao hơn.
Chương này sẽ khám phá mối liên hệ giữa đo lường trong thiết kế ngược, phần mềm và các phương pháp in 3D Hiểu rõ các tương tác này giúp người dùng áp dụng kỹ thuật thiết kế ngược một cách hiệu quả hơn cho công nghệ in 3D, từ đó nâng cao chất lượng kết quả và đạt được những sản phẩm phù hợp hơn.
Tổng quan về thiết kế ngược
Thiết kế ngược bao gồm hai yếu tố chính: thu thập dữ liệu và xử lý thông tin Việc đo lường là cần thiết để thu thập các phép đo, và cần được lựa chọn cẩn thận dựa trên đối tượng và thông tin mong muốn Để xử lý các tập dữ liệu thu thập được, thường cần sử dụng phần mềm chuyên dụng.
Thiết kế ngược được sử dụng trong kết hợp với in 3D vì hai lý do chính Đầu tiên, nó giúp tạo ra mô hình CAD 3D cho các hệ thống in 3D, ví dụ như quét các bộ phận hiện có để sản xuất các dụng cụ bổ sung, sửa chữa các bộ phận hư hỏng, hoặc tạo ra các bộ phận mới kết hợp với phần gốc Thứ hai, kỹ thuật này được áp dụng để kiểm tra các bộ phận in 3D, với mục đích sử dụng dữ liệu thiết kế ngược ảnh hưởng đến quy trình và lựa chọn đo lường.
Thiết kế ngược bắt đầu bằng việc thu thập các phép đo, có thể là cấu trúc hoặc ngẫu nhiên Các phép đo cấu trúc thường được sử dụng cho các bộ phận dựa trên tính năng và có thể được xác định bằng ba phép đo chiều dài Tuy nhiên, để xác định các bộ phận phức tạp hơn, cần nhiều phép đo khác nhau Chẳng hạn, để xác định một mặt hàng có hình dạng hữu cơ như quả táo, việc sử dụng phép đo chiều dài sẽ không hiệu quả; thay vào đó, việc đo nhiều điểm trên bề mặt quả táo sẽ cung cấp một đại diện chính xác hơn, phục vụ cho việc lập mô hình hoặc kiểm tra.
Dữ liệu đo lường có thể được thu thập theo nhiều hình thức khác nhau, tùy thuộc vào loại đo lường và yêu cầu ứng dụng cụ thể Chúng thường được phân loại thành ba danh mục cơ bản.
1 Điểm đơn - điểm được đo riêng biệt dựa trên người vận hành riêng lẻ các lệnh Chúng được sử dụng khi vị trí chính xác của phép đo cần được kiểm soát.
2 Các đám mây điểm - các điểm được đo lường bởi hệ thống đo lường dựa trên yêu cầu do người điều hành chỉ huy Các đám mây điểm có thể bao gồm một loạt các các điểm được thu thập bởi một đầu dò quét qua một phần để quét một phần rất dày đặc bề mặt Các tệp có thể bao gồm hàng triệu điểm đo được đó là được sử dụng khi độ phức tạp của bộ phận tăng lên và các phép đo điểm đơn lẻ không đủ để đặc trưng cho bề mặt chi tiết.
3 Tính năng - Nhiều hệ thống đo lường có khả năng lấy đơn điểm hoặc thông tin đám mây điểm và trích xuất phép đo dựa trên tính năng Đối với ví dụ, ba hoặc nhiều điểm được đo xung quanh một lỗ có thể xác định lỗ của đường kính Ngoài ra, ba hoặc nhiều điểm giống nhau có thể vừa với một mặt phẳng.
Hệ thống đo lường có thể cung cấp phản hồi giá trị tùy thuộc vào mục tiêu của nhà điều hành, ví dụ như xác định vị trí và hướng của máy bay Khi đo điểm mười của máy bay, hệ thống cho biết cách các điểm này tương quan với mặt phẳng Một số hệ thống sản xuất phụ gia có khả năng tạo ra các bộ phận với nhiều màu sắc khác nhau, và một số cũng có thể ghi lại thông tin về màu sắc Mặc dù việc phù hợp với màu sắc đã chụp có thể bị hạn chế trong các hệ thống sản xuất phụ gia Pallet màu, nhưng nó vẫn rất hữu ích cho một số ứng dụng nhất định.
Khi lựa chọn một hệ thống đo lường, điều quan trọng đầu tiên là xác định xem các tính năng bên trong có cần thiết hay không Nếu các tính năng này quan trọng, cần chọn phép đo phù hợp dựa trên khả năng tương thích với công nghệ, yêu cầu về độ chính xác và khả năng chấp nhận các phép đo phá hủy công nghệ Các loại đo lường không ngừng phát triển và cập nhật hàng năm, vì vậy việc xem xét các yếu tố này là rất cần thiết.
1 Hệ thống đo lường bên trong không phá hủy
Chụp cắt lớp vi tính (CT), hay còn gọi là CAT, là một phương pháp hình ảnh y tế sử dụng công nghệ chụp cắt lớp Quá trình này tạo ra hình ảnh của một lát cắt trong một đối tượng ba chiều thông qua việc sử dụng máy quét CT Máy quét này áp dụng xử lý hình học kỹ thuật số để tạo ra hình ảnh 3D bên trong vật thể, bằng cách chụp nhiều hình ảnh tia X hai chiều từ nhiều góc độ khác nhau quanh một trục quay Những hình ảnh 2D này sau đó được kết hợp lại để tạo thành hình ảnh 3D hoàn chỉnh.
Quét Hình ảnh Cộng hưởng Từ (MRI) sử dụng từ trường mạnh được tạo ra từ dòng điện chạy qua các vòng dây Trong quá trình này, các cuộn dây trong nam châm gửi và nhận sóng vô tuyến, kích hoạt proton trong cơ thể tự sắp xếp Khi các proton được kích thích bởi sóng vô tuyến, năng lượng được giải phóng và phát ra tín hiệu năng lượng mà các cuộn dây thu nhận Thông tin này được gửi đến máy tính để xử lý và tạo ra hình ảnh 3D của khu vực được kiểm tra.
2 Đo lường bên trong phá hủy
Kiểm tra hình học mặt cắt ngang (CGI) là quy trình sử dụng các bộ phận được đóng gói bằng nhựa để giữ và ổn định các tính năng của bộ phận Quá trình này bao gồm việc gia công từng lớp để lộ các mặt cắt và số hóa chúng bằng hệ thống tầm nhìn, ghi lại thông tin dựa trên từng lớp Khi các tính năng bên trong không quan trọng, có nhiều loại hệ thống đo lường để nắm bắt hình học bên ngoài, được chia thành hai danh mục chính: tiếp xúc và không tiếp xúc.
Máy đo tọa độ (CMM) bao gồm hai loại chính là "cầu nối" và "cánh tay di động", mỗi loại mang lại độ chính xác, khối lượng đo lường và tính di động khác nhau Cả hai hệ thống hoạt động dựa trên các nguyên tắc tương tự, với cơ chế chính xác giám sát chuyển động vị trí và chuyển đổi thành tọa độ 3D của thiết bị đầu dò CMM cầu nối thường được tự động hóa để thực hiện các phép đo lặp lại trên nhiều bộ phận, trong khi CMM cánh tay di động cho phép tiếp cận linh hoạt hơn, đưa phép đo trực tiếp vào bộ phận thay vì phải di chuyển bộ phận đến vị trí đo.
Máy theo dõi laser là thiết bị đo đạc chính xác, được lắp đặt trên giá ba chân ổn định với tầm nhìn rõ ràng đến mục tiêu Mục tiêu quang học, hay còn gọi là mục tiêu "phản phản xạ", giúp khóa tia laser và theo dõi sự di chuyển của mục tiêu trong khu vực đo Việc đặt mục tiêu quang học dựa vào bộ phận và phép đo được điều khiển bởi người vận hành Thiết bị này cung cấp các phép đo rất chính xác trên một khoảng cách lớn.
Máy theo dõi quang học sử dụng hai máy ảnh đặt cách nhau một khoảng cố định để xác định vị trí của mục tiêu trong khối lượng đo lường Mỗi kiểu mục tiêu có những lợi ích và điểm yếu riêng, và các cụm mục tiêu quang học có thể gắn vào thiết bị thăm dò Khi đầu dò được định vị, hệ thống ghi lại vị trí của nó Một ưu điểm nổi bật của hệ thống quang học là khả năng duy trì kết nối với mục tiêu ngay cả khi chúng bị che khuất, máy ảnh sẽ tự động thiết lập lại kết nối khi mục tiêu xuất hiện trở lại.
Nghiên cứu đo lường đối với phép đo chi tiết
Khi số hóa một phần hiện có cho mô hình hóa 3D CAD hoặc kiểm tra chất phụ gia, việc xem xét đặc tính hoạt động của phần chủ đề là rất quan trọng Các yếu tố như kích thước bộ phận, tính di động, màu sắc và đặc điểm bề mặt cần được đánh giá để chọn phép đo phù hợp Ngoài ra, độ chính xác, độ phân giải và loại dữ liệu cũng phải được xem xét để tránh thu thập quá nhiều hoặc quá ít dữ liệu Do đó, việc lập kế hoạch thu thập dữ liệu là cần thiết để đảm bảo một kết quả thành công.
Lý tưởng nhất, phép đo được chọn nên phù hợp với việc số hóa toàn bộ phần trong một thiết lập duy nhất, nhưng điều này thường không khả thi do kích thước và dòng tầm nhìn Do đó, việc xây dựng một chiến lược thu thập dữ liệu cho tất cả các tính năng của bộ phận là rất quan trọng Nếu kích thước vượt quá giới hạn thu thập dữ liệu của phép đo cụ thể, phương pháp "Leap Frog" có thể được áp dụng để mở rộng khối lượng dữ liệu Phương pháp này sử dụng các điểm chung của hai phong bì thu thập dữ liệu để ghép nối các bộ sưu tập lại với nhau Việc phát triển kế hoạch đo lường và lựa chọn các tính năng sẽ nâng cao chất lượng quá trình Kết hợp các phép đo có thể cải thiện độ chính xác cho các bộ phận lớn, trong khi máy theo dõi laser và phép đo quang giúp đánh giá chính xác các tính năng trên phần lớn Cuối cùng, đặc tính bề mặt của bộ phận có thể ảnh hưởng đến kết quả thu thập dữ liệu, vì vậy đầu dò cần được chọn dựa trên tính năng mong muốn độ phân giải.
Hình 1 cho thấy hai kiểu đầu dò có thể dẫn đến các phép đo khác nhau trên một chi tiết in 3D.
Khi sử dụng công nghệ đo lường dựa trên ánh sáng hoặc laser, cần chú ý đến màu sắc, độ trong suốt và độ phản chiếu của bộ phận để đảm bảo độ chính xác của dữ liệu Dù đã có tiến bộ trong việc giảm độ nhạy của các phép đo, nhưng các vấn đề này vẫn có thể ảnh hưởng đến kết quả Các bộ phận có màu sắc đa dạng có thể tạo ra dữ liệu sai lệch do sự thay đổi trong hấp thụ ánh sáng, dẫn đến sự khác biệt cường độ phản xạ tại cảm biến Đối với các bộ phận composite epoxy trong suốt, ánh sáng thường xuyên xuyên qua epoxy và hình ảnh ma trận vải bên trong Để kiểm tra độ trong mờ, có thể chiếu con trỏ laser lên bề mặt bộ phận; nếu vết laser tương tự như trên giấy, độ trong mờ thấp và kết quả tốt có thể đạt được Ngược lại, nếu điểm laser lớn và có quầng sáng, độ mờ có thể ảnh hưởng đến quá trình thu thập dữ liệu, đặc biệt là với các bề mặt phản xạ cao.
Hình 1 Ảnh hưởng của đầu đo đến đo lương chi tiết Đầu dò điểm trên vùng bao thiết kế ngược
Khi chọn đầu dò cho các vùng rãnh và cầu, cần xem xét độ phân giải và độ chính xác mong muốn Đối với kỹ thuật đảo ngược, mật độ các điểm được sử dụng để mô tả một bộ phận hoặc mô hình là một giải pháp quan trọng cần được cân nhắc.
Trong Hình 2 , một vòng tròn hiển thị ở ba độ phân giải khác nhau Khi nhiều điểm được thêm vào, vòng tròn trở thành xác định rõ ràng hơn.
Hình 2 Các độ phân giải khác nhau của một vòng tròn
Hình 3 Ảnh hưởng của độ chính xác điểm
Hình dạng thực tế chi tiết Độ chinh xác cao Độ chinh xác thấp
Trong Hình 3, một vòng tròn được thể hiện qua các điểm với mức độ chính xác khác nhau; điểm càng chính xác, hình dáng vòng tròn càng rõ nét Dữ liệu có độ phân giải và độ chính xác cao là điều lý tưởng, nhưng đi kèm với đó là chi phí tăng cao Tăng độ phân giải không chỉ làm tăng chi phí đo lường mà còn kéo theo thời gian xử lý lâu hơn và yêu cầu phần mềm chuyên dụng để quản lý khối lượng dữ liệu lớn Với nhu cầu cao về độ chính xác, việc kiểm soát chi phí đo lường và quy trình thu thập dữ liệu trở nên quan trọng Do đó, cần phải xem xét kỹ lưỡng nhu cầu về độ phân giải và độ chính xác.
Tạo mô hình CAD để hỗ trợ in 3D
Trong trường hợp không có mô hình 3D CAD cho phần cần bổ sung, một phần vật chất được coi là định nghĩa chính của bộ phận mong muốn Phần này cần được đánh giá cả về các tính năng bên ngoài và bên trong Nếu các tính năng bên trong là cần thiết, cần lựa chọn phương pháp đo phù hợp để xác định những đặc điểm này Nếu phải sử dụng phương pháp thu thập dữ liệu phá hủy, nên dựa vào dữ liệu bên ngoài thu thập trước đó để làm cơ sở tham khảo, giúp xác nhận kết quả và lấp đầy bất kỳ khoảng trống nào trong dữ liệu.
Hình 4 Độ phân giải ảnh hưởng đến xác định tính năng
Sau khi thu thập dữ liệu, quá trình hậu xử lý bắt đầu, nhằm chuyển đổi dữ liệu thành dạng hữu ích cho in 3D Có hai lựa chọn chính: kết hợp dữ liệu điểm thành một tệp và chuyển đổi thành lưới đa giác kín, hoặc trích xuất các tính năng như lỗ, mặt phẳng và bề mặt để tạo mô hình rắn Mỗi lựa chọn đều có những ưu điểm và hạn chế riêng, tùy thuộc vào loại bộ phận và nhu cầu hạ nguồn cụ thể.
Lưới đa giác là tập hợp các đỉnh, cạnh và mặt xác định hình dạng của một đối tượng đa diện trong đồ họa máy tính 3D và mô hình rắn, thường bao gồm các hình tam giác, tứ giác hoặc các đa giác lồi đơn giản Việc chuyển đổi dữ liệu đo được thành lưới đa giác cần đảm bảo giữ lại sự thể hiện chính xác nhất của phần gốc, tuy nhiên, các khiếm khuyết cố hữu trong vật chất sẽ được chuyển sang mô hình Khi thiết kế ngược nhiều bộ phận, sự không hoàn hảo có thể gây ra xung đột khi các bộ phận tương tác với nhau Lưới đa giác cũng cần phải kín nước, nghĩa là mọi lỗ hổng trong dữ liệu phải được lấp đầy trước khi mô hình có thể sử dụng Nếu các bộ phận có tính năng mà quá trình thu thập dữ liệu không thể nắm bắt, sẽ cần thời gian xử lý đáng kể để lấp đầy những lỗ hổng trong tập dữ liệu.
Khi chuyển đổi dữ liệu thu thập được thành lưới đa giác, cần chú ý lựa chọn phần mềm phù hợp để đảm bảo độ chính xác và độ phân giải mong muốn Hơn nữa, việc giảm thiểu dữ liệu không cần thiết sẽ giúp tối ưu hóa kích thước của các mô hình kết quả.
Hình 5 Ví dụ về lưới đa giác
Mô hình rắn là kết quả quan trọng trong việc xác định ý định thiết kế của một phần, yêu cầu dữ liệu từ nhiều bộ phận để hiểu rõ giới hạn dung sai và tính năng danh nghĩa Việc thu thập dữ liệu từ các bộ phận giao phối cũng có thể mang lại lợi ích đáng kể trong quá trình này.
Hình 7 Ví dụ về giảm thiểu lưới đa giác dựa trên độ phức tạp tính năng
Dù sử dụng quy trình mô hình hóa nào, việc kiểm tra mô hình với dữ liệu đã thu thập là rất quan trọng Người dùng có thể áp dụng phần mềm thiết kế ngược để phát hiện lỗi giữa dữ liệu và mô hình rắn Thực tiễn này không chỉ giúp nhận diện sai sót trong quá trình tạo mô hình mà còn tạo ra một báo cáo ghi lại phả hệ của mô hình, góp phần nâng cao chất lượng và độ tin cậy của công việc mô hình hóa.
Hình 8.Ví dụ về mặt cắt từ dữ liệu thu thập được để hỗ trợ phần mềm mô hình rắn truyền thống
Bước cuối cùng trong quy trình in 3D là xuất tệp ở định dạng tương thích, thường là định dạng StereoLithography (STL), được sử dụng phổ biến trong sản xuất Cần đảm bảo rằng phần mềm xử lý đã được cài đặt đúng cách để xuất tệp Đặc biệt, các cài đặt về độ chính xác và độ lệch góc có thể điều chỉnh để cải thiện độ trung thực của tệp STL Trước khi xuất, các cài đặt này cần được kiểm tra và gán giá trị phù hợp để đạt được kết quả đầu ra như mong muốn.
ASTM International, formerly known as the American Society for Testing and Materials, is a globally recognized leader in developing and providing voluntary consensus standards Vào năm 2009, ASTM International đã thành lập Ủy ban F42 để tập trung vào sản xuất in 3D, với mục tiêu phát triển một tiêu chuẩn mới thay thế định dạng STL hiện tại Tiêu chuẩn F2915-12 về đặc điểm kỹ thuật cho định dạng tệp in 3D (AMF) đã được xác định là định dạng mới, được áp dụng rộng rãi trong hầu hết các hệ thống in 3D, phần mềm thiết kế ngược và phần mềm thiết kế CAD Cuối cùng, định dạng tệp AMF sẽ thay thế STL.
Kiểm tra chi tiết in 3D
Dữ liệu thu thập trong quá trình kiểm tra chi tiết có thể được sử dụng để đánh giá cả bộ phận mô hình hiện tại lẫn dữ liệu cho phần tiếp theo Việc so sánh dữ liệu này với mô hình giúp xác định độ chính xác của biểu diễn mô hình được tái tạo bởi hệ thống sản xuất phụ gia Hơn nữa, việc so sánh dữ liệu từ nhiều bộ phận khác nhau cung cấp cái nhìn sâu sắc về sự biến đổi trong quy trình sản xuất phụ gia cho từng loại bộ phận cụ thể.
Trong quy trình kiểm tra cổ điển, bản vẽ hoặc mô hình kiểm soát xác định dữ liệu, các tính năng và dung sai cần thiết Việc xác định các hạng mục này và độ trung thực cần thiết sẽ thiết lập tiêu chí lựa chọn cho đo lường Đặc tính bề mặt độc đáo của chi tiết in 3D cần được đánh giá và phù hợp với công nghệ thích hợp Thiết lập một kế hoạch đo lường là cần thiết để thu thập dữ liệu chính xác cho việc kiểm tra Kế hoạch đo lường nên vạch ra trình tự các bước thu thập dữ liệu và xác định chiến lược tương quan giữa các bộ dữ liệu riêng lẻ Với lựa chọn và kế hoạch đo lường đúng đắn, quá trình thu thập dữ liệu có thể được tiến hành hiệu quả.
1.6.2 Nhập dữ liệu tham chiếu
Dữ liệu tham chiếu được chọn dựa trên loại kiểm tra đang thực hiện, trong đó mô hình rắn là tiêu chuẩn khi kiểm tra độ chính xác của chi tiết in 3D Đối với việc kiểm tra sai lệch từng chi tiết, nhiều bộ thu thập dữ liệu sẽ được nhập và so sánh Hầu hết các phần mềm kiểm tra và thiết kế ngược hiện nay hỗ trợ nhập các định dạng CAD như STEP, IGES, Parasolid, STL và dữ liệu điểm Quan trọng là phải đảm bảo rằng dữ liệu tham chiếu có chất lượng cao để đạt được kết quả kiểm tra mong muốn.
2 Đặc tính cơ học của Ti6Al4V và cấu trúc mạng tinh thể của AlSi12Mg được chế tạo bởi thiêu kết laser kim loại trực tiếp
Vật liệu xốp mang lại những đặc điểm chức năng độc đáo, cho phép thiết kế vượt trội so với vật liệu rắn Chúng có độ bền và độ cứng cao, đồng thời cải thiện khả năng hấp thụ năng lượng cơ học và kiểm soát truyền nhiệt Các vật liệu này được hình thành từ sự sắp xếp tuần hoàn hoặc ngẫu nhiên của các ô mở hoặc đóng, với cấu trúc hai chiều như tổ ong hoặc các bố cục ba chiều đa diện như mạng tinh thể.
Cấu trúc mạng
Cường độ nén và mô đun của cấu trúc mạng tinh thể phụ thuộc vào nhiều yếu tố như cấu trúc liên kết tế bào, thông số hình học, tính chất vật liệu, ranh giới kết cấu và điều kiện tải Đặc biệt, các tính chất cơ học chịu ảnh hưởng lớn từ cách mà các thanh chống trong mạng tinh thể phản ứng dưới tác động kéo hoặc uốn Để hiểu rõ hơn về phản hồi tải, cần xem xét mức độ kết nối và tự do của các thanh chống trong ô mạng tinh thể, có thể được định lượng bằng số Maxwell (M) trong phương trình (5,1) Điều này giúp định hình hành vi cơ học mong đợi trong mạng tinh thể với s thanh chống tương tác được nối chốt tại n nút.
Hình 9 Các ví dụ về mạng tinh thể hai chiều dưới cứng (a), vừa cứng (b) và quá cứng (c)
Số lượng Maxwell tăng lên khi số lượng thanh chống trên mỗi khớp gia tăng, cho thấy khả năng kết nối thanh chống cao hơn và độ cứng của khoang cũng tăng theo Maxwell có thể được sử dụng để xác định các cấu trúc mạng tinh thể tối ưu hóa hiệu quả chịu tải, đảm bảo hành vi kéo dài hoặc tối đa hóa sự tuân thủ thông qua hành vi uốn Tuy nhiên, các tiêu chí này chỉ cung cấp điều kiện cần thiết nhưng không đủ để xác định độ cứng của tế bào, vì chúng có thể cho phép các cấu hình thanh chống không góp phần vào độ cứng của mạng Hơn nữa, ảnh hưởng của hướng tải đối với độ cứng của khoang cũng chưa được xem xét, mặc dù nó có thể có tác động đáng kể đến khả năng chịu tải.
Bảng 1 Số Maxwell cho các cấu trúc mạng ứng viên ô đơn vị
Mạng tinh thể được sản xuất bằng tia laser
Các nghiên cứu trước đây đã đánh giá khả năng sản xuất và các đặc tính cơ học của cấu trúc mạng do SLM sản xuất, chủ yếu tập trung vào thép không gỉ và cấu trúc mạng tinh thể titan Tuy nhiên, hiện tại vẫn chưa có dữ liệu thực nghiệm chính thức về khả năng sản xuất và thử nghiệm mạng tinh thể nhôm.
Rehme và Emmelman [24] đã tiến hành đánh giá khả năng sản xuất SLM và khả năng nén sức mạnh của các cấu trúc liên kết tế bào mạng tinh thể với các kích thước thanh chống khác nhau và kích thước ô trong thép không gỉ DIN 1.4404/ASTM 316L Khả năng sản xuất được đo lường qua chỉ số tỷ lệ co, được định nghĩa là tỷ lệ giữa chiều dài cạnh ô và đường kính thanh chống.
Tỷ lệ co có thể điều chỉnh được thay đổi tùy thuộc vào cấu trúc liên kết tế bào, dao động từ 3,36 đối với tế bào mật độ thấp đến 22,9 đối với tế bào mật độ cao Nghiên cứu cho thấy khả năng sản xuất cao hơn cho các cấu trúc liên kết tế bào có chiều dài nhịp thanh chống ngắn hơn Thử nghiệm nén mẫu mạng tinh thể được thực hiện trên khối 10 x 10 x 10, với kích thước ô đơn 2,5 mm và thanh chống đường kính 0,5 mm Mặc dù các thông số như tốc độ biến dạng và điều kiện ranh giới không được báo cáo, nhưng mạng lưới FCCZ đã cho thấy cường độ nén riêng cao nhất khi nén dọc.
Shen và cộng sự đã nghiên cứu độ bền nén của vết bẩn 316L sản xuất bằng SLM với ba cấu hình khác nhau: BCC, BCCZ (BCC với thanh chống dọc) và BCC với các tấm da epoxy gia cố bằng sợi carbon Các mẫu thử có kích thước 8 hình khối 3 ô, với kích thước ô đơn vị 2,5 mm và đường kính thanh chống 0,2 mm Kết quả cho thấy cấu trúc BCCZ cung cấp cường độ nén cao nhất, trong khi cả BCC và BCCZ đều tăng cường độ nén khoảng 25% khi chịu biến dạng tốc độ cao (150 s^-1) so với điều kiện quas tĩnh (8E-4 s^-1) Việc gia cố tấm cho mẫu BCC đã làm tăng cường độ nén lên gấp đôi, do sức đề kháng tăng ở giao diện lưới trong quá trình nén Tuy nhiên, hình ảnh SEM cho thấy đường kính thanh chống gần đạt giới hạn độ phân giải của quy trình SLM, dẫn đến độ chính xác thấp trong các thông số hình học Brenne và cộng sự cũng đã nghiên cứu phản ứng của mạng tinh thể Ti6Al4V BCC sản xuất bằng SLM dưới tải trọng nén gần như tĩnh và theo chu kỳ, cho thấy độ dẻo và tuổi thọ mỏi tăng lên, nhưng độ bền nén giảm đối với mẫu đã qua ủ.
Mẫu vật 3 tế bào hình khối có kích thước ô đơn 2 mm, với cấu trúc liên kết BCC và đường kính thanh chống 0,2 mm Lỗi cắt được quan sát dọc theo các mặt phẳng mẫu theo đường chéo.
Khả năng sản xuất nung chảy laser có chọn lọc
2.3.1 Xác định các thông số nóng chảy laser chọn lọc
SLM là một quá trình đa vật lý phức tạp, chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như gradient nhiệt lớn, hình học ba chiều phức tạp, và hiện tượng quá nóng cục bộ Quá trình này còn liên quan đến việc truyền nhiệt cục bộ theo các con đường thoáng qua về mặt thời gian và không gian, cùng với sự không rõ ràng và độ không đảm bảo thực nghiệm trong resis giường bột nhiệt-thời gian Với gần 130 biến số tác động đến chất lượng thành phẩm, các thông số xử lý quan trọng bao gồm mật độ năng lượng laser Ed, công suất laser P, tốc độ quét laser v, khoảng cách nở h, và độ dày lớp t.
Năng lượng đầu vào laser yêu cầu khác nhau đối với các vật liệu xây dựng
E d = P h v t trong đó Ed , mật độ năng lượng (J / mm 3 ); P , công suất laser (W); v , tốc độ quét (mm / s); t , lớp độ dày (mm); h , khoảng cách nở (mm).
2.3.2 Các thông số xử lý nóng chảy bằng laser có chọn lọc cho Ti6Al4V và AlSi12Mg
Một nghiên cứu thử nghiệm đã xác định bộ Ti6Al4V mong muốn và các thông số xử lý AlSi12Mg phù hợp cho quy trình SLM, sử dụng máy SLM250HL với tia laser sợi quang 400-W Bột vật liệu được cung cấp bởi SLM Solutions GmbH, và độ xốp của mẫu thử hình khối 4 mm được đánh giá bằng máy chụp X-quang Máy tính Tomography (CT) Các mẫu thử nghiệm được sản xuất với công suất laser và tốc độ quét khác nhau, tương ứng với mật độ năng lượng Ed, nhằm đạt được độ xốp thấp và chất lượng xây dựng cao, như được liệt kê trong Bảng 2 Những thông số này là cơ sở cho việc sản xuất cấu trúc mạng tinh thể trong nghiên cứu này.
2.3.3 Khả năng sản xuất thanh chống lưới
Quy trình SLM có những giới hạn đáng chú ý, ảnh hưởng đến phạm vi hình học khả thi Cụ thể, các ràng buộc này được thiết lập thông qua việc điều chỉnh hình học quá mức và hình học hiện có.
Đun chảy laser chọn lọc Ti6Al4V và AlSi12Mg yêu cầu tối ưu hóa thông số xử lý để cải thiện khả năng chống truyền nhiệt và giảm thiểu quá nhiệt trong sản xuất Quy trình SLM thường cần cấu trúc hỗ trợ để tạo ra các bản dựng vững chắc, nhưng việc sử dụng vật liệu hỗ trợ có thể làm tăng độ nhám bề mặt, kéo dài thời gian sản xuất và ảnh hưởng đến chức năng khi loại bỏ thủ công Để giảm thiểu sự cần thiết của các cấu trúc hỗ trợ và xác định các cấu trúc mạng có thể sản xuất, cần hạn chế độ nghiêng góc của hình học nhô ra thành góc có thể xây dựng mà không cần hỗ trợ.
Cấu trúc liên kết ô có thể bị hạn chế bởi kích thước tính năng tối thiểu trong sản xuất SLM, ảnh hưởng đến khả năng đạt được đường kính thanh chống theo quy định mạng tinh thể Để xác định góc xây dựng khả thi và kích thước tính năng phù hợp cho Ti6Al4V và mẫu thử thanh chống công xôn AlSi12Mg, SLM được sản xuất với chiều rộng thiết kế thí nghiệm (DOE) nhằm phân tích khả năng sản xuất so với đường kính thanh chống và độ nghiêng liên quan.
Một phân tích DOE giai thừa đầy đủ đã được thực hiện để xác định khả năng sản xuất của các phần tử thanh chống công xôn dựa trên đường kính thanh chống từ 0.3-1.0 mm với bước nhảy 0.1 mm và góc nghiêng từ 0-60 độ, tăng dần 10 độ Các mẫu thử nghiệm đã được đánh giá và xếp hạng về khả năng sản xuất, với sự tái các thanh chống đúc hẫng được tóm tắt trong Bảng 3.
Bảng 2 Khả năng sản xuất công xôn Ti6Al4V và AlSi12Mg các mẫu thử độ nghiêng thanh chống ở các đường kính và góc dựng khác nhau
Các chỉ số xếp hạng: L=Sai số lớn, M=một vài sai sót ,H=thành công
Các mẫu thử khối thanh chống công xôn Ti6Al4V được sản xuất với phạm vi góc nghiêng và đường kính từ 0,3-1,0 mm, với gia số 0,1 mm Hình ảnh SEM cho thấy các phần tử thanh chống Ti6Al4V được sản xuất Đối với một ô đơn vị có độ dài các cạnh bằng nhau, có bốn độ nghiêng thanh chống khả thi: 0, 35,26, 45 và 90 độ Các nhà sản xuất công xôn đã xác định ngưỡng khả năng để sản xuất mạnh mẽ các thanh chống trong cấu trúc mạng tinh thể, ngoại trừ thanh chống nghiêng 0 độ Nếu các phần tử thanh chống được hỗ trợ ở cả hai đầu và nhịp thanh chống đủ nhỏ, thanh chống dạng lưới có thể được sản xuất theo chiều ngang Để thiết lập giới hạn khả năng sản xuất cho thanh chống, một loạt các mẫu thử nghiệm nhịp đã được sản xuất với các chiều dài nhịp và đường kính thanh chống khác nhau cho cả Ti6Al4V và AlSi12Mg, và kết quả được tóm tắt trong Bảng 4.
Bảng 3 Khả năng sản xuất công xôn Ti6Al4V và AlSi12Mg các mẫu thử độ nghiêng thanh chống ở các đường kính và góc dựng khác nhau
Hình 11 Thanh chống ngang Ti6Al4V được sản xuất trong các mẫu mạng
FBCCXYZ với kích thước ô 2mm
Mặc dù thanh chống ngang có thể sản xuất nếu được hỗ trợ ở cả hai đầu, SEM chỉ ra rằng đường kính thanh chống quá khổ và mức độ kết dính hạt nóng chảy một phần là rất cao Lỗ hổng này có thể do bột bổ sung bị giữ lại bởi bể tan chảy trong quá trình sản xuất SLM của các lớp bề mặt nhô ra.
2.3.4 Mục tiêu chế tạo và thử nghiệm mẫu lưới
Nghiên cứu thực nghiệm về vật liệu sản xuất thanh chống đã chỉ ra rằng có thể tạo ra nhiều cấu trúc mạng tinh thể khác nhau với các thông số như cấu trúc liên kết, số Maxwell và sự căn chỉnh thanh chống theo hướng tải Các cấu trúc này được thử nghiệm để đánh giá hiệu suất cơ học dưới tải trọng nén cho hai loại vật liệu Ti6Al4V và AlSi12Mg.
Do các mục tiêu thử nghiệm khác nhau và các ràng buộc liên quan, không phải tất cả các cấu trúc liên kết mạng tinh thể đều được thử nghiệm trong cả hai hợp kim Ti6Al4V và AlSi12Mg Các ô FBCCXYZ chỉ được giới hạn trong hợp kim Ti6Al4V do kích thước lớn của mẫu AlSi12Mg có thể vượt quá cường độ nén của thiết bị thử nghiệm Trong khi đó, BCCZ và FCCZ chỉ thử nghiệm trên hợp kim AlSi12Mg Việc thử nghiệm BCCZ bổ sung và các cấu trúc FCCZ trong Ti6Al4V sẽ dẫn đến việc sử dụng số lượng mẫu Ti6Al4V cao hơn, ảnh hưởng đến ngân sách thử nghiệm và khả năng điều tra sự hội tụ của các đặc tính cơ học.
2.3.5 Độ trung thực hình học của mạng tinh thể
Các hiệu ứng nhiệt phức tạp, hình học theo lớp và ngẫu nhiên của SLM sản xuất nhôm ảnh hưởng đến sự khác biệt giữa thiết kế CAD và hình dạng thực tế trong quá trình sản xuất Để hiểu rõ hơn về sự biến đổi của hình học mạng tinh thể, hai phương pháp phân tích riêng biệt đã được áp dụng cho các mẫu mạng tinh thể Ti6Al4V và AlSi12Mg.
2.3.5.1 Độ trung thực của quá trình sản xuất nóng chảy bằng laser có chọn lọc của các mẫu mạng Ti6Al4V Để có được cái nhìn sâu sắc về độ trung thực chung của các mẫu mạng tinh thể được sản xuất, các mẫu mạng Ti6Al4V thực tế được đo để xác định sản phẩm được sản xuất giá trị mật độ tương đối ρs ρ và độ lệch phần trăm chung so với hình học CAD Phép đo dựa trên việc cân các mẫu, so sánh trọng lượng đo được với trọng lượng lý thuyết dự kiến cho vật liệu nhất định theo hình học mô hình CAD và sau đó xác định giá trị tương đối mật độ của các mẫu được sản xuất dựa trên sự khác biệt về trọng lượng đo được (phần trăm) Hình 12 trình bày kết quả cho mật độ vật liệu Ti6Al4V rắn của ρ s D30 kg / m 3 ρ= V
Mật độ tương đối của mẫu thử mạng Ti6Al4V được sản xuất có sự so sánh với hình học CAD, trong đó ρ đại diện cho khối lượng riêng của mẫu mạng tinh thể (kg/m3) V s là phần thể tích chất rắn của ô mạng tinh thể tính theo phần trăm, và ρ s là mật độ vật liệu mạng, tương đương 4430 kg/m3 đối với Ti6Al4V.
Kết quả từ Hình 5.8 cho thấy mật độ tương đối của các bộ phận sản xuất cao hơn từ 20% đến 30% so với kích thước hình học danh nghĩa Sự chênh lệch này có thể được giải thích bởi sai lệch hình học và vật liệu bổ sung, do ảnh hưởng của sự kết dính hạt hợp nhất được quan sát trong các mẫu vật sản xuất (Hình 24).
Kỹ thuật đo mật độ tương đối cho mẫu Ti6Al4V có thể thực hiện nhanh chóng, nhưng có thể gặp lỗi do không đo trực tiếp thể tích mẫu, không tính đến sự phân bố vật liệu và độ xốp Để có kết quả chính xác hơn, phương pháp Archimedes là lựa chọn tốt, mặc dù thời gian đo có thể lâu hơn và có thể gặp lỗi do bề mặt gồ ghề và hiệu ứng sức căng bề mặt gây ra bọt khí Các kỹ thuật thay thế cũng có thể được xem xét để cải thiện độ chính xác.
Kết quả thử nghiệm nén
Các mẫu mạng tinh thể Ti6Al4V và AlSi12Mg đã được thử nghiệm trong tải nén để xác định cường độ nén và mô đun Cấu trúc mạng tinh thể được đánh giá theo các quy trình đơn trục bán tĩnh nhằm kiểm tra các đặc tính cơ học cũng như chế độ biến dạng và hư hỏng Thử nghiệm nén dọc trục được thực hiện trên máy thử nghiệm vạn năng MTS 100-kN với tốc độ biến dạng 1E-3 mm/mm.s, theo tiêu chuẩn thử nghiệm nén Ứng suất nén kỹ thuật cho mỗi mẫu được tính toán dựa trên tải trọng nén và diện tích mặt cắt ngang ban đầu của mỗi mẫu thử nghiệm.
2.4.1 Kết quả phân tích nén mẫu tinh thể Ti6Al4V
Các thử nghiệm đối với các mẫu mạng tinh thể Ti6Al4V được thực hiện với hai lần lặp lại mỗi biến thể mẫu tinh thể:
Thử nghiệm 1 đã khảo sát biến dạng cao đến 80% nén, cung cấp dữ liệu quan trọng để mô tả đặc tính đàn hồi, năng suất và hành vi biến dạng cao của nhựa cùng các chế độ hư hỏng Các điều kiện tải được thực hiện qua ba giai đoạn tải và hai giai đoạn không tải, nhằm đo modun đàn hồi trong cả hai trạng thái Giai đoạn tải đầu tiên và thứ hai tương ứng với mức độ căng thẳng kỹ thuật 2% và 4%, trong khi giai đoạn tải cuối cùng nén mẫu thử đến 80% độ căng.
Trong thử nghiệm biến dạng thấp đến biến dạng vượt quá cường độ nén 1-2%, dữ liệu đã được sử dụng để tạo hình ảnh phóng đại cao của nhựa ban đầu và gãy các phần tử thanh chống Đường cong ứng suất nén đơn trục cho các mẫu mạng với 10^3 ô đơn vị cho thấy sự khác biệt rõ rệt trong cường độ nén và phản ứng tải Đặc biệt, trong ô 3 mm, các mẫu vật thể hiện cường độ ban đầu cao nhưng mềm đi sau khi sụp đổ, trong khi cấu trúc BCC duy trì ứng suất cao nguyên tương tự như đỉnh ban đầu Ngược lại, trong ô 2 mm, các mẫu FBCCZ/FBCCZO có hành vi tương tự như mẫu BCC với ứng suất bình nguyên trung bình so sánh được với đỉnh cao Cấu trúc BCC cho thấy sự uốn cong đặc trưng dẫn đến sụp đổ dần dần, trong khi các cấu trúc có tỷ lệ ứng suất sập cao hơn thường gặp hỏng hóc và sụp đổ đột ngột hơn.
Hình 16 cung cấp cái nhìn chi tiết về đường cong ứng suất-biến dạng của mẫu FBCCZ-S3N7, với mô-đun Young và mô-đun xếp dỡ được điều chỉnh ở mức 2% và 4% Hình 16 thể hiện phản ứng điển hình trong độ trễ của mẫu vật, nhưng với một số mẫu có độ cứng cao như FBCCXYZ, mô-đun 4% xuất hiện ngoài ứng suất đỉnh Do đó, các giá trị mô-đun 4% không đồng nhất trong vùng đàn hồi và không được xem xét thêm Ngược lại, các giá trị mô-đun 2% được coi là đại diện cho mô-đun trong vùng đàn hồi, như thể hiện trong Hình 17.
Hình 16(a) minh họa mô đun tương đối (E / E s) tại biến dạng 2% so với mật độ tương đối (r / r s) của các mẫu mạng tinh thể thử nghiệm Hình 16(b) tương tự trình bày cường độ nén tương đối (s / ss) so với mật độ tương đối đo được (r / r s).
Cả hai số liệu đều phản ánh xu hướng trung bình quan sát được từ các mẫu đo, cùng với các xu hướng lý thuyết đã hoàn thành liên quan đến cấu trúc tế bào uốn cong và kéo dài Biểu đồ xu hướng trung cho thấy sự tương đồng giữa các dữ liệu thực nghiệm và lý thuyết.
Hình 14 trình bày phản ứng ứng suất - sức căng của cấu trúc mạng kích thước tế bào Ti6Al4V 3-mm với 10^3 ô mẫu vật Đường cong ứng suất - biến dạng đạt đến 80% biến dạng, cho thấy mẫu tế bào 2 mm có mật độ tương đối cao hơn mẫu tế bào 3 mm, dẫn đến mô đun và cường độ nén cao hơn Sự khác biệt đáng chú ý giữa các cấu trúc liên kết mạng chủ yếu liên quan đến sự hiện diện của các thanh chống dọc, với các cấu trúc không có thanh chống (BCC) thể hiện hành vi uốn cong dự kiến Ngược lại, các cấu trúc có thanh chống dọc (FCCZ, FBCCZ và FBCCXYZ) cho thấy xu hướng gần gũi hơn với hành vi căng dự kiến So sánh với tiêu chí ổn định Maxwell, cấu trúc BCC tương ứng với hành vi uốn cong, trong khi FCCZ và FBCCZ chi phối uốn và FBCCXYZ chi phối kéo dài Tuy nhiên, xu hướng thực nghiệm cho thấy các cấu trúc uốn gần hơn với phản ứng kéo dài dự kiến, chỉ ra ảnh hưởng của các cơ chế biến dạng kéo dài Điều này cho thấy tiêu chí Maxwell cần thiết nhưng không đủ để dự đoán phản ứng cơ học của các cấu trúc này.
Hình 15 minh họa phản ứng ứng suất và sức căng của cấu trúc mạng kích thước tế bào Ti6Al4V với kích thước 2-mm cho 10^3 ô mẫu vật Ở phần trên, đồ thị thể hiện đường cong ứng suất-biến dạng đạt đến 80% biến dạng, trong khi phần dưới cung cấp cái nhìn chi tiết về phản ứng ứng suất-biến dạng trong phần ban đầu.
Hình 17(a) tóm tắt mô đun Young, s và 2% trung bình cho mỗi loại tế bào và kích thước ô Các moduli xếp dỡ được tính trung bình từ dữ liệu trong nghiên cứu này Hình 17(b) hiển thị tiêu chuẩn tương đối độ lệch (RSD), tỷ lệ giữa độ lệch chuẩn và giá trị trung bình RSD được tính cho tất cả các mẫu thử nghiệm trong một cấu trúc liên kết và kích thước ô nhất định, bao gồm các tế bào N3, N5, N7 và N10 với hai lần lặp lại, tổng cộng tám mẫu cho mỗi bộ RSD là chỉ số cho sự biến đổi chung của mô đun và cường độ nén quan sát được trong tập hợp mẫu với số lượng tế bào khác nhau.
Hình 18 (a) và (b) trình bày cường độ nén mạng tinh thể trung bình cùng với giả định RSD ciated Mô đun biến dạng cụ thể 2% được định nghĩa là tỷ lệ giữa môđun mật độ mạng tinh thể r (Bảng 5.5) và cường độ nén cụ thể, được thể hiện trong Hình 17 (c) và 18 (c) nhằm so sánh hiệu quả của mạng tinh thể trong thiết kế mỏng nhẹ Để so sánh các đặc tính cơ học của các cấu trúc liên kết mạng được thử nghiệm, dữ liệu từ Hình 17 và 18 được tính trung bình trên tất cả các mẫu có cấu trúc liên kết và số cụ thể của tế bào.
Các quan sát tóm tắt về dữ liệu trong Hình 17 và 18 được trình bày ở đây:
Mô đun Young, s trong hình 16 (a) thấp hơn 2%, cho thấy tính dẻo cục bộ xảy ra trong các mẫu mạng tinh thể dưới ứng suất nén Kết quả này tương thích với các nghiên cứu trước đây về kim loại bọt, đồng thời xác nhận hiện tượng này trong mạng tinh thể sản xuất bổ sung cấu trúc Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng mô đun Young, s liên quan đến độ cứng tại chỗ của các cấu trúc mạng tinh thể Tuy nhiên, mô-đun Young, s có thể bị đánh giá thấp trong việc đánh giá độ cứng của mạng tinh thể dưới tải trọng đàn hồi lặp lại Việc ước tính chính xác mô-đun này rất quan trọng cho các ứng dụng cấy ghép chỉnh hình, nơi mà độ cứng của cấu trúc mạng lưới cần phù hợp với xương để tránh suy yếu.
Cấu trúc BCC có mô đun quan sát thấp nhất, cho thấy rằng sự tuân thủ cao của chúng là kết quả của hành vi kém cứng nhắc và mật độ tương đối thấp.
Các mô đun quan sát cao nhất được thể hiện qua cấu trúc FBCCXYZ-S2, cho thấy mối liên hệ với hành vi mạnh mẽ và độ cứng vượt trội của cấu trúc liên kết mạng, đồng thời có tỉ trọng cao.
Mặc dù mạng FBCCXYZ có mô đun cao nhất trong các mẫu thử nghiệm, FCCZ lại sở hữu mô đun cụ thể cao nhất cho cả hai kích thước ô 2 và 3 mm, như thể hiện trong Hình 17 (a) cho thiết bị đóng điều kiện biên mẫu Kết quả này cho thấy FCCZ mang lại hiệu suất vượt trội trong số các cấu trúc mạng tinh thể được thử nghiệm, đặc biệt là trong các tình huống tải nén nhằm tối ưu hóa tỷ lệ độ cứng trên trọng lượng.
Mô đun tuyệt đối của mạng FCCZ và FBCCZ ở kích thước ô 2 mm lớn hơn so với kích thước ô 3 mm, trong khi mô-đun cụ thể của kích thước ô 3 mm lại cao hơn một chút so với kích thước ô 2 mm Sự tuân thủ này cho thấy rằng việc giảm mật độ mạng tinh thể có thể bù đắp cho sự gia tăng trong thiết kế trọng lượng nhẹ, giới hạn độ cứng.
Kết luận
Chương này trình bày những điểm không chắc chắn hiện tại liên quan đến SLM trong sản xuất cấu trúc mạng tinh thể Ti6Al4V và AlSi12Mg, đồng thời cung cấp thông tin chi tiết về ảnh hưởng của vật liệu, cấu trúc liên kết tế bào, kích thước ô, số lượng ô đơn vị và ranh giới điều kiện đến biến dạng và ứng xử hư hỏng của mạng dưới tác dụng nén tải trọng Chương cũng xác định các kết quả chính khác nhau.
Các hạn chế trong khả năng sản xuất mạng tinh thể Ti6Al4V và AlSi12Mg đã được xác định, bao gồm đường kính thanh chống tối thiểu và góc nghiêng cho phép cho quy trình đề xuất tham số Dựa trên các giới hạn xử lý này, một số mạng tinh thể có cấu trúc liên quan đã được xác định, bao gồm các cấu trúc với số Maxwell thấp và cao hơn, cùng với các thanh chống được căn chỉnh theo hướng tải.
Chi tiết về các chế độ biến dạng và hư hỏng của mạng tinh thể AlSi12Mg đã được quan sát trong quá trình thử nghiệm mẫu vật khi phá hủy.
Quan sát thực nghiệm về tải trọng nén cho thấy mô đun Young của các mẫu mạng luôn thấp hơn mô đun ở độ căng 1% và 2% Hiệu ứng này xuất phát từ tính dẻo cục bộ không được ghi nhận trong vật liệu rời Mặc dù thường được báo cáo đối với kim loại bọt, nhưng hiện tượng này dường như chưa được đề cập nhiều trong cấu trúc AM.
Cấu trúc BCC thể hiện mô đun quan sát thấp nhất do tính cứng nhắc kém, trong khi cấu trúc FBCCXYZ (cho Ti6Al4V) và FBCCZ (cho AlSi12Mg) có mô đun quan sát cao nhất Đặc biệt, cấu trúc FCCZ cho thấy mô đun cụ thể cao nhất, mang lại hiệu suất vượt trội trong các tình huống chịu tải nén nhằm tối ưu hóa tỷ lệ độ cứng trên trọng lượng Đối với các cấu trúc Ti6Al4V FCCZ, FBCCZ và FBCCXYZ, mặc dù kích thước tế bào lớn hơn có xu hướng làm tăng sự tuân thủ, mô-đun cụ thể vẫn giữ nguyên ở các kích thước 2- và 3-mm Tính năng này cho thấy rằng việc giảm mật độ mạng có thể bù đắp cho sự giảm độ cứng, điều này có thể được ưa chuộng trong thiết kế trọng lượng nhẹ.
Cấu trúc BCC có cường độ nén tổng thể và cụ thể thấp nhất, trong khi Ti6Al4V với cấu trúc FBCCXYZ và FCCZ cho thấy cường độ tổng thể và cụ thể cao Đối với cấu trúc AlSi12Mg, các cấu trúc FBCCZ và FCCZ cũng thể hiện giá trị sức mạnh tổng thể và cụ thể cao tương ứng.
Phân tích sự hội tụ của các đặc tính cơ học theo kích thước mẫu cho thấy rằng đối với cấu trúc FBCCZ và FBCCXYZ, các mẫu có hơn 10^3 cần có các ô để đạt được giá trị hội tụ ổn định.
Xu hướng hội tụ của các giá trị mô đun tương tự như xu hướng đối với cường độ nén, tuy nhiên, sự thay đổi ở đây tương đối cao hơn.
Các chế độ hỏng hóc của cấu trúc mạng lưới được kiểm tra khi xảy ra nén, bao gồm hiện tượng uốn cong của thanh chống chéo, sự vênh của thanh chống dọc, gãy thanh chống và cuối cùng là sự sụp đổ của tế bào mạng.
