Trong lĩnh vực tạo hình kim loại, tốc độ đùn đóng vai trò là núm điều khiển quan trọng, quyết định đặc tính dòng chảy của vật liệu, tương tự như việc điều chỉnh vòi nước để điều chỉnh dòng chảy của nước. Bài viết này xem xét cách tốc độ đùn ảnh hưởng đến các vật liệu khác nhau trong các điều kiện xử lý khác nhau và khám phá các chiến lược tối ưu hóa để đạt được các sản phẩm đùn chất lượng cao.
Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy mối quan hệ phức tạp giữa tốc độ đùn và tải trọng yêu cầu. Thông thường, việc tăng tốc độ đùn làm tăng nhu cầu tải vì vật liệu phải trải qua biến dạng dẻo trong thời gian ngắn hơn, đòi hỏi lực lớn hơn để vượt qua lực cản dòng chảy. Tuy nhiên, trong các quy trình đùn nhiệt, nơi nhiệt sinh ra làm giảm đáng kể độ bền chảy của vật liệu, tốc độ cao hơn có thể nghịch lý làm giảm yêu cầu tải.
Trong in 3D dựa trên đùn (3DPC), sự đồng bộ hóa tốc độ giữa quá trình lắng đọng vật liệu và chuyển động của vòi phun là rất quan trọng. Nghiên cứu cho thấy rằng việc khớp tốc độ tối ưu đảm bảo sự hình thành sợi thích hợp, trong đó tốc độ không đủ gây ra sự đứt đoạn lớp trong khi tốc độ quá mức có nguy cơ làm tắc nghẽn vòi phun. Các nghiên cứu gần đây nhấn mạnh cách cải tiến hình học cho vít đùn và việc thiết lập các cửa sổ hoạt động có thể cải thiện chất lượng in thông qua việc kiểm soát tốc độ chính xác.
Sơ đồ đùn thể hiện bằng đồ họa mối quan hệ giữa vận tốc thoát tối đa và nhiệt độ phôi ban đầu, xác định ranh giới hoạt động để đùn thành công. Các sơ đồ này tính đến các đặc tính hợp kim và độ phức tạp của hình dạng, với ba đường ràng buộc thường thiết lập cửa sổ xử lý khả thi. Các nhà sản xuất luôn hướng đến tốc độ tối đa trong các thông số đã xác định này.
Sự kết hợp giữa nhiệt độ và tốc độ ảnh hưởng đáng kể đến sự phát triển cấu trúc vật liệu. Nghiên cứu về hợp kim nhôm-silicon cho thấy việc thay đổi các thông số đùn ảnh hưởng đến các thành phần cấu trúc sợi như thế nào. Trong khi một số định hướng sợi vẫn độc lập với tốc độ, những định hướng khác cho thấy mối tương quan trực tiếp với vận tốc xử lý, cho phép sửa đổi vi cấu trúc được nhắm mục tiêu để tăng cường các đặc tính cơ học.
So với hợp kim nhôm, hợp kim magie thông thường thể hiện tốc độ đùn chậm hơn đáng kể, góp phần làm tăng chi phí sản xuất. Các nghiên cứu chỉ ra rằng việc giảm các nguyên tố hợp kim có thể cải thiện khả năng đùn nhưng thường phải trả giá bằng các đặc tính cơ học do tăng kích thước hạt. Những phát triển gần đây tập trung vào việc vi hợp kim với các nguyên tố đất hiếm để đồng thời tăng cường cả khả năng đùn và đặc tính hiệu suất.
Nhu cầu ngày càng tăng đối với các hồ sơ kích thước lớn trong các ứng dụng hàng không vũ trụ, hạt nhân và giao thông vận tải đòi hỏi các giải pháp đùn tiên tiến. Phân tích phần tử hữu hạn của quá trình đùn ống hợp kim Inconel 690 cho thấy các thông số quan trọng bao gồm tốc độ, nhiệt độ, hình học khuôn và tỷ lệ đùn tương tác như thế nào để ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Các phương pháp thử nghiệm trực giao giúp thiết lập các cửa sổ xử lý tối ưu cho các vật liệu đầy thách thức này.
Là một trong những thông số đùn quan trọng nhất, nhiệt độ đòi hỏi sự kiểm soát chính xác trong suốt quá trình. Sự tương tác giữa nhiệt độ phôi, sinh nhiệt và ứng suất chảy của vật liệu tạo ra các động lực phức tạp. Các kỹ thuật đùn đẳng nhiệt duy trì nhiệt độ thoát không đổi chứng minh đặc biệt có giá trị đối với việc sản xuất hồ sơ lớn các vật liệu khó đùn.
Các sơ đồ chuyên biệt này cung cấp các công cụ có giá trị để đánh giá khả năng đùn của vật liệu, với các khuôn khổ nghiên cứu đã được thiết lập cho hợp kim nhôm. Hai ràng buộc chính xuất hiện: giới hạn áp suất ở nhiệt độ thấp hơn và sự hình thành khuyết tật bề mặt ở nhiệt độ cao hơn. Cửa sổ hoạt động giữa các ranh giới này xác định tốc độ xử lý có thể đạt được trong khi tính đến các hiệu ứng oxy hóa bề mặt tiềm ẩn.
Các sơ đồ giới hạn đã sửa đổi kết hợp dữ liệu chuyển đổi pha cho thấy hành vi kết tủa ảnh hưởng đến tốc độ đùn tối đa trong hợp kim nhôm như thế nào. Sự hòa tan của các hạt Mg2Si trên nhiệt độ tới hạn cho phép tăng tốc độ đáng kể, với việc quản lý lịch sử nhiệt thích hợp mang lại những cải tiến về năng suất tiềm năng 30-40%.
Mặc dù thường bị nhầm lẫn, các quy trình riêng biệt này đòi hỏi sự xem xét riêng biệt. Khả năng đùn tập trung cụ thể vào dòng chảy vật liệu qua vòi phun máy in, trong đó các thông số như tỷ lệ kích thước vòi phun so với tổng hợp và quản lý áp suất ngăn chặn tắc nghẽn và đảm bảo tính liên tục của lớp. Nghiên cứu thiết lập các tỷ lệ đường kính tới hạn vượt quá 4,94 đối với vòi phun hình tròn để tránh gián đoạn dòng chảy.
In tối ưu đòi hỏi sự đồng bộ hóa giữa tốc độ đùn và tốc độ dòng chảy vật liệu. Nghiên cứu xác định các kết hợp cụ thể tạo ra các lớp liên tục mà không bị gãy hoặc đứt đoạn, với thành công đã được chứng minh ở tốc độ 60mm/giây với dòng chảy 23ml/giây đối với một số hỗn hợp nhất định. Sự không khớp về vận tốc có thể dẫn đến sự lắng đọng vật liệu quá mức hoặc các mẫu đùn không liên tục.
Các giao thức thử nghiệm tiêu chuẩn bao gồm các phép đo sụt và lan truyền giúp xác định các cửa sổ xử lý khả thi cho vật liệu có thể in 3D. Dữ liệu thực nghiệm thiết lập các giá trị sụt lý tưởng từ 4-8mm với đường kính lan truyền tương ứng là 150-190mm làm chỉ số của các đặc tính khả năng đùn phù hợp.
Là một thông số quy trình quan trọng, tốc độ đùn đòi hỏi sự hiểu biết toàn diện để tối ưu hóa chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất. Các hướng nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào các phương pháp kiểm soát tiên tiến và hành vi vật liệu mới trong các điều kiện đùn khác nhau để phát triển hơn nữa công nghệ công nghiệp thiết yếu này.
