Jak ocenić żywotność zmęczenia metalowych części z drukowaniem 3D?

1. Testowanie znormalizowane: Konfigurowanie punktów odniesienia do oceny
Międzynarodowa Organizacja Standaryzacji (ISO) i American Society for Assessing and Materials (ASTM) ustanowiły podstawowe zasady oceny żywotności zmęczeniowej metalowych elementów drukowanych 3D. Standard ASTM E466-21 jest jednym z nich. Standaryzuje kształt, rozmiar, metodę ładowania i metodologię gromadzenia danych próbek testowych, aby naukowcy mogli przetestować żywotność zmęczenia osiowego stopów metali. Ten standard mówi:
Przygotowanie próbki: selektywne topienie lasera (SLM) lub procedury topnienia wiązki elektronów (EBM) są używane do drukowania standardowych cylindrycznych prętów lub zakrzywionych próbek wiązki, aby upewnić się, że wymiary są prawidłowe. Na przykład jedna firma silnika lotniczego zmieniła ustawienia drukowania, tak że chropowatość powierzchni próbek TI6AL4V wzrosła z Ra 12 μm do RA 3,2 μm. To znacznie obniżyło szansę na stężenie naprężeń.
Kontrola środowiska: Aby powstrzymać wpływy środowiskowe przed wpływem na zachowanie zmęczenia, uważnie obserwuj temperaturę środowiska testowego (± 2 stopnie), wilgotność (± 5% RH) i stężenie tlenu. Na przykład, podczas testowania próbek stali nierdzewnej 316L w środowisku natryskowym soli, konieczne jest powtórzenie warunków oceanicznych w celu oceny wydajności odporności na zmęczenie korozji.
Zbieranie i analizowanie danych: Korzystanie z metod statystycznych do wykonywania krzywych S - w celu znalezienia granicy zmęczeniowej warunków materialnych możesz monitorować czasy cyklu, reakcję na stres i czas złamania w czasie rzeczywistym. Producent urządzeń medycznych przetestował sztuczny staw z nadrukiem kobaltowym stopem kobaltu i stwierdził, że jego wytrzymałość zmęczeniowa wynosi ponad 95% wytrzymałościowych części.
2. Charakterystyka wad: ustalenie, co spowodowało awarię
Wewnętrzne wady mają duży wpływ na to, jak długie metalowe elementy drukowane 3D mogą trwać. Badania wykazały, że wymiary, lokalizacja i wyrównanie niewydanych wad, porów i niezwiązanych cząstek są krytycznymi determinantami na początku pęknięć zmęczeniowych. Na przykład pory w stopie TI6AL4V o szerokości ponad 50 μm mogą zmniejszyć żywotność zmęczeniową o ponad 60%. Musimy więc użyć podejść do wykrywania skali Multi -, aby w pełni opisać wady:
Testowanie, które nie uszkadzają obiektu: x - tomografia komputerowa Ray (CT) służy do pomiaru ilości porowatości i rozkładu uszkodzeń. Testy ultradźwiękowe są również wykorzystywane do znalezienia problemów w wiązaniu między warstwami. Specyficzny dostawca komponentów lotniczych odkrył poprzez skanowanie CT, że udoskonalenie podejścia skanowania może zmniejszyć porowatość z 0,8% do 0,2%.
Analiza metali: Obserwuj zmianę mikrostruktury i zobacz, jak obróbka cieplna wpływa na wielkość ziarna i skład faz. Na przykład gorące prasowanie izostatyczne (HIP) może zmniejszyć ziarna fazowe alfa stopu TI6AL4V niż 5 μm, co znacznie zwiększa odporność na zmęczenie.
Pomiar naprężenia resztkowego: Użyj metody Laser Small Over lub metodę dyfrakcyjną X -, aby znaleźć naprężenie resztkowe na powierzchni i zobaczyć, jak wpływa ona na szybkość rozprzestrzeniania się pęknięć. Pewien producent samochodów użył Peening, aby dodać -400MPa resztkowego naprężenia ściskającego, które sprawiły, że aluminium aluminiowe były trwałe trzy razy dłużej.
3, Optymalizacja procesu: zarządzanie zagrożeniami u źródła
Ustawienia procesu drukowania mają bezpośredni wpływ na charakterystykę mikrostruktury i defektu części. Żywotność zmęczeniowa może być znacznie ulepszona przez ustawienia strojenia Fine - i Post - przetwarzanie:
Kontrola gęstości energii: Aby zminimalizować pęcherzyki spowodowane zbyt małą lub zbyt dużą energią, należy dostosować moc laserową, prędkość skanowania i grubość warstwy. Na przykład firma wykorzystała eksperymentalną konstrukcję DOE, aby stwierdzić, że najlepsza gęstość energii do drukowania SLM 316L ze stali nierdzewnej wynosi 80J/mm, co czyni go 25% silniejszym w stosunku do zmęczenia.
Optymalizacja kierunku konstrukcji: Spraw, by anizotropia ma mniejszy wpływ na wydajność zmęczenia. Na przykład żywotność zmęczeniowa próbek na rozciąganie, które są prostopadłe do warstwy drukowania, jest 40% mniej niż w przypadku próbek równoległych do niego. Można to znacznie poprawić, zmieniając kąt, pod którym części są umieszczane.
Technologia Post -:
Hot Isostatic Pressing (HIP) pozbywa się wewnętrznych porów i podnosi siłę zmęczenia stopu TI6AL4V z 450 MPa do 620 MPa.
Leczenie powierzchni: Aby wykorzystywane jest gładsze, polerowanie wibracyjne lub elektrochemiczne polerowanie. Następnie stosuje się do dodania resztkowego naprężenia ściskającego. Na przykład żywotność zmęczeniowa określonego ostrza silnika samolotu wynosi 1,2 razy większa niż w wykutym elemencie po kombinacji peeningu i polerowania wibracji.
4. Twin cyfrowy: przewidywanie i sprawdzanie zamkniętej pętli
Projekt Departamentu Departamentu Stanów Zjednoczonych wykorzystał Multi - Fusion i cyfrowe technologie bliźniacze do utworzenia zamkniętego systemu pętli - do monitorowania procesu drukowania i przewidywania jego długowieczności.
Real - Monitorowanie czasowe temperatury topnienia puli, akumulacji ciepła i rozwoju defektów za pomocą kombinacji czujników optycznych, podczerwieni i akustycznych. Na przykład czujnik akustyczny firmy Addiguru może zbierać drobne zmiany w fal dźwiękowych wewnątrz metali i znajdować pory o średnicy 20 μm lub większej.
Modelowanie cyfrowego bliźniaka: wykonuj wirtualne kopie każdej części, śledź wady i sprawdź, jak działają pod naciskiem. Oprogramowanie Genua Alphastar wykorzystuje symulację mikrostruktury i mechanikę pęknięć, aby odgadnąć, jak długie części będą trwać poniżej 10 ⁷ cykli, z poziomem błędu mniejszym niż 10%.
Testowanie w laboratorium: Użyj testowania zmęczenia, aby upewnić się, że model jest prawidłowy. Auburn University przetestował próbki TI6AL4V z wydrukowanymi 3D i stwierdził, że przewidywana długość życia cyfrowego modelu była zgodna z rzeczywistą wartością o 92%.
5. Praktyka branżowa: uczenie się z przeszłych przypadków
GE Aviation wykorzystuje technologię SLM do wydrukowania dysz paliwa silnika Leap w branży lotniczej. Te dysze trwają dwa razy dłużej niż tradycyjne kute części i latały przez ponad 10 milionów godzin bez niepowodzenia.
W dziedzinie medycyny Johnson i Johnson 3D wydrukowały kubki stawu biodrowego chromu chromu, które przeszły 10 cykli w testach zmęczeniowych, które naśladowały ludzkie środowisko. Jest to znacznie lepsze niż standard branżowy wynoszący 5 × 10 cykli.
W branży motoryzacyjnej BMW Group wykorzystuje wydrukowane 3D aluminiowe kurtki wodne, które są o 40% lżejsze dzięki optymalizacji topologii. Używają również obróbki termicznej T6, aby przetrwać ponad 2000 godzin, co jest idealne do silników, które działają w bardzo trudnych warunkach.