מייצור חיסור מסורתי ועד לייצור תוסף מתפתח, לשיטות ייצור ועיבוד מתכות שונות יש השפעה משמעותית על מבנה החומר והתכונות המכניות של המוצר הסופי. ההשפעה של שיטות ייצור מסורתיות על התכונות המכניות של מתכות הוכרה באופן נרחב, אך הקשר בין תהליכי ייצור תוספים ומאפייני המוצר מורכב למדי ומהווה נושא חשוב בתחום המחקר.
בין המחקרים הרבים, ההשפעה של הפסקת תהליך הדפסה תלת מימדית על מבנה המיקרו ותכונותיהם של חלקים המיוצרים באופן תוסף מתכת היא נושא נישה. תהליכי ייצור תוספים מסתמכים על הדפסה מתמשכת של חומר שכבה אחר שכבה, עם דרישות התכה והתמצקות מחמירות. כאשר תהליך ההדפסה מופרע, התרמודינמיקה השולטת בחוזק הקשר ויצירת פגמים בתוך השכבה מופרעת. הפסקות בתהליכי ייצור תוספים צפויות להשפיע על חיבור בין-שכבות, ולסכן את הפיתוח של מבנה מיקרו אחיד ותכונות מכניות של חלקי מתכת.
גם מבלי להתייחס להפרעות בתהליך, יש מקום ברור לשיפור בייצור תוספים למתכת מבחינת דיוק הממדים ותכונות החומר. במהלך הדפסה תלת מימדית, קינטיקה של התמצקות וחיבור בין-שכבות קובעות את מבנה הגרגירים והתכונות המכניות של החלק, הנשלטות על ידי שיפועים תרמיים, קצבי קירור ומחזוריות תרמית. אמנם קשה לשלוט בתהליך ההיתוך עבור הדפסת תלת מימד, אך ניתן לבצע אופטימיזציה של גורמים אלה באמצעות שקיעה מתמשכת וללא הפרעה ובקרה תרמית.
עם זאת, במהלך ייצור הדפסה תלת מימדית, עלולות להתרחש הפסקות תהליכים עקב הצורך האפשרי להטמיע רכיבי ניטור (כגון חיישנים, מפעילים ומכשירי קצירת אנרגיה), למלא חומרים, לשנות לוחות זמנים לייצור וכו'. בנוסף, עלולות להתרחש הפרעות בתהליך. עקב הפסקות חשמל ותקלות במכונה. כאשר תהליך ההדפסה מופרע, החלק המודפס יתקרר בהדרגה, וכתוצאה מכך הופעת פגמים ומיקרו-מבנים לא הומוגניים עקב הפרעות במחזוריות תרמית ושיפועים תרמיים לא סדירים. כתוצאה מכך, התכונות המכניות של המוצר הסופי נפגעות. פגמים אפשריים כוללים חוסר איחוי, קריסת חור המנעול, נקבוביות, פיצוח התמצקות, סדקים במצב מוצק, חוזק קשר בין-למינרי/משטח ירוד, ביטול חיבור קלסר לא שלם וכו'.
ההשפעה של הפרעות בתהליך על הביצועים הכוללים של חלקי הדפסת תלת מימד
עבור רוב תהליכי ההדפסה התלת מימדית של מתכת, הפרעות בתהליך מופיעות עם צבע גלוי במפרקים, הנקראים "סימני תהליך". באזורים הקטועים של הדגימות שנחקרו, קיימים גם שינויי צבע עקב השפעות תרמיות וגם פגמים בחלק. פגמים גלויים עשויים להימשך לאורך קווי הפסקת התהליך וצפויים להשפיע לרעה על התכונות המכניות של הדגימות. כדי להמשיך ולבחון את הדגימות והדגימות הפרוסות, בוצעו ניסויי NDT כדי להעריך עוד יותר שינויים פוטנציאליים במבנה החומר ובמאפיינים המכניים לפני ואחרי הפסקת תהליך.
חוקרים מאוניברסיטת ירדן חקרו הפרעות בתהליך במהלך ייצור תוסף חוטי קשת. הם לקחו חלקים בגודל 130×17×150 מ"מ כאובייקט המחקר והשתמשו ב-Ti-6Al-4V להדפסה. לאחר 8 שעות והיציקה, הגובה הגיע ל-120 מ"מ, ההדפסה הופסקה ותהליך ההדפסה חודש לאחר שהזמן המת נמשך 6 שעות. במהלך הזמן הזה, החלק היצוק מתקרר לטמפרטורת החדר.
ניתן לגזור דוגמאות שהודפסו על ידי חוקרים לצורך ניתוח
שינויים בהיסטוריה התרמית של החלק עשויות להשפיע על היווצרות מבנה התבואה. ההבדל העיקרי בין מבנה המיקרו באזורי תהליך ייצור רגילים ומנותקים הוא גודל הגרגרים. בעוד שגודל הגרגירים של הדגימות אחיד למדי בתנאי תהליך רגילים, לדגימות מהאזור שבו התהליך נקטע היו גדלים לא אחידים. הבדלי מרקם וגודל גרגרים בתהליך הרגיל ואזורי תהליך מופרעים היו הממצאים העיקריים של ההערכה המיקרוסקופית. בנוסף, עקב האינטראקציה בין התנאים של השכבות שהופקדו בעבר והאינטראקציה של תהליך השקיעה החדש, ייתכן שתנאי ההתמצקות (כגון צורת בריכת הריתוך וקצב הצמיחה), שיפועים תרמיים וקצבי קירור השתנו, גם מנגנון יצירת הפגמים יושפע.
פגמים גלויים בקווי הפרעה בתהליך
בדיקה באמצעות ספקטרוסקופיה תהודה קולית גילתה שינויים חשובים בשלמות החלק; בדיקה של תכונות ננו-מכניות מצאה הפחתה בערכי המודולוס והקשיות של Young באזורים שבהם התהליך נקטע; טומוגרפיה ממוחשבת בקרני רנטגן חשפה את מספר הפגמים הכלולים באזורים הקטועים יותר וגדולים יותר בגודלם מהאזורים האחרים; הנחתה משמעותית של אותות ופיזור לאחור מוצגים באות האולטרסאונד.
תמונת CT של האזור בו התהליך נקטע
בדיקת תכונות החומר הגיעה למסקנה כי להפסקת התהליך הייתה השפעה משמעותית על החומר העיקרי והתכונות המכניות של החלק. נראה כי מבנה הגרגירים, המרקם ורמות הפגמים של דגימות שיוצרו באזור או אחריו היו שונים מדגימות שלא חוו כל הפרעה בתהליך או שהודפסו קודם לכן. בפרט, החוזק והשלמות של החלק נמוכים יותר באזור הקטוע; והגודל וההפצה של פגמים באזור הקטוע גבוהים בהרבה.
הפרעות בתהליך מעוררות השראה לייצור ותיקון של הדפסת תלת מימד
מאחר שהוכח שהגודל והפיזור של פגמים כמו סדקים ונקבוביות משנים באופן משמעותי את השלמות המבנית ואת תכונות החומר של חלקים המיוצרים באופן תוסף, אזור השיבוש יכול להיות אזור קריטי המשפיע על בטיחות המבנה הכולל. זה חשוב במיוחד כאשר בוחנים סוג כלשהו של שיבוש תהליך, במיוחד תהליך ייצור מחדש או תיקון באמצעות ייצור תוסף.
מסיבה זו, כאשר רכיבים אלו משמשים כרכיבים קריטיים ביישומי תעופה וחלל, רפואיים ותחבורה, תהליך הבטחת האיכות של רכיבים אלו עשוי להיות כפוף לבדיקות איכות מחמירות יותר ולבדיקות לא הרסניות. ניתן להפחית את התפלגות החומרה והפגמים באזורי הפסקת תהליכים על ידי כמה תהליכים לפני ואחרי יצירה. חימום מוקדם של החלק לטמפרטורת ייצור לפני הפעלה מחדש של התהליך לאחר הפרעה מפחית את ההשפעות של הלם תרמי ומתח, ומפחית התפתחות של פגמים וסדקים. במונחים של עיבוד שלאחר, מספר תרופות כגון תהליכי טיפול בחום או לחיצה איזוסטטית חמה (HIP) עשויות לסייע בשיפור שלמות החלקים והביצועים. שיקולים מוצעים אלה חייבים להיחקר במחקרים עתידיים כדי לקבוע את ההתאמה המדויקת וההשפעה על איכות ההרכבה הסופית.