Come valutare la vita a fatica delle parti stampate in metallo 3D?

1. Test standardizzati: impostazione dei parametri di riferimento per la valutazione
L'Organizzazione internazionale per la standardizzazione (ISO) e l'American Society for Assessing and Materials (ASTM) stabiliscono le regole di base per valutare la vita a fatica degli articoli stampati in metallo 3D. Lo standard ASTM E466-21 è uno di questi. Standardizza la forma, le dimensioni, il metodo di caricamento e la metodologia di raccolta dei dati dei campioni di test in modo che gli scienziati possano testare la vita a fatica assiale delle leghe metalliche. Questo standard dice:
Preparare il campione: vengono utilizzate le procedure di fusione del fascio di elettroni (SLM) o SLM Laser SLM (EBM) per stampare aste cilindriche standard o campioni di fascio curvo per assicurarsi che le dimensioni siano corrette. Ad esempio, un'azienda di motori aeronautica ha cambiato le impostazioni di stampa in modo che la rugosità superficiale dei campioni di Ti6al4V è passata da RA 12 μ m a RA 3,2 μ m. Ciò ha notevolmente abbassato la possibilità di concentrazione di stress.
Controllo ambientale: per evitare che le influenze ambientali influenzano il comportamento della stanchezza, tieni d'occhio la temperatura dell'ambiente di test (± 2 gradi), l'umidità (± 5% di RH) e la concentrazione di ossigeno. Ad esempio, mentre si verificano campioni di acciaio inossidabile 316L in un ambiente di spruzzatura salina, è necessario replicare le condizioni oceaniche per valutare le prestazioni di resistenza alla fatica della corrosione.
Raccolta e analisi dei dati: utilizzando metodi statistici per creare curve S - n per trovare il limite di fatica delle condizioni del materiale, è possibile monitorare i tempi di ciclo, la risposta allo stress e il tempo di frattura in tempo reale. Un produttore di dispositivi medici ha testato la sua lega artificiale in lega di cromo di cobalto in 3D 10 volte e ha scoperto che la sua resistenza a fatica è superiore al 95% di quella delle parti forgiate.
2. Caratterizzazione dei difetti: scoprire cosa ha causato il fallimento
I difetti interni hanno un grande effetto su quanto tempo possono durare gli articoli stampati in 3D in metallo. Gli studi hanno dimostrato che le dimensioni, la posizione e l'allineamento di difetti, pori e particelle non fusi sono determinanti critici nell'inizio delle fessure di fatica. Ad esempio, i pori nella lega Ti6al4V che sono larghi più di 50 μ m possono ridurre la durata della fatica di oltre il 60%. Quindi, dobbiamo utilizzare gli approcci di rilevamento della scala multi - per descrivere completamente i difetti:
Test che non danneggiano l'oggetto: x - Tomografia computerizzata a raggio (CT) viene utilizzato per misurare la quantità di porosità e la distribuzione dei guasti. Il test ad ultrasuoni viene anche utilizzato per trovare problemi nel legame tra gli strati. Un fornitore specifico per i componenti dell'aviazione scoperto tramite la scansione TC che la raffinazione dell'approccio di scansione può ridurre la porosità dallo 0,8% allo 0,2%.
Analisi dei metalli: osserva il cambiamento della microstruttura e vedere come il trattamento termico influisce sulla dimensione dei grani e la composizione delle fasi. Ad esempio, la pressione isostatica calda (anca) può creare i granuli di fase alfa della lega Ti6al4V più piccoli di 5 μm, il che aumenta notevolmente la resistenza alla fatica.
Misurazione dello stress residuo: utilizzare il metodo del foro piccolo laser o il metodo di diffrazione del raggio x - per trovare lo stress residuo sulla superficie e vedere come influisce sulla velocità con cui si diffonde le crepe. Un certo produttore automobilistico ha usato la pealing per aggiungere -400 MPA di stress di compressione residua, che ha reso la cerchia in lega di alluminio la durata tre volte più a lungo.
3, Ottimizzazione del processo: gestione dei pericoli alla fonte
Le impostazioni del processo di stampa hanno un effetto diretto sulla microstruttura delle parti e sulle caratteristiche dei difetti. La vita a fatica può essere notevolmente migliorata da Fine - Impostazioni di ottimizzazione e post - Elaborazione:
Controllo della densità di energia: per ridurre al minimo i guasti di schizzi causati da troppo o troppa energia, è necessario regolare la potenza del laser, la velocità di scansione e lo spessore dello strato. Ad esempio, un'azienda ha utilizzato un design sperimentale DOE per scoprire che la migliore densità di energia per la stampa SLM in acciaio inossidabile 316L è 80J/mm ³, il che lo rende più forte del 25% contro la fatica.
Ottimizzazione della direzione della costruzione: rendere l'anisotropia ha meno effetti sulle prestazioni della fatica. Ad esempio, la vita a fatica dei campioni di trazione che sono perpendicolari allo strato di stampa è del 40% in meno rispetto a quella dei campioni paralleli ad esso. Questo può essere notevolmente migliorato modificando l'angolo in cui le parti sono posizionate.
Tecnologia per post - elaborazione:
Hot Isostatic Pressing (HIP) si sbarazza dei pori interni e aumenta la resistenza a fatica della lega Ti6al4V da 450 MPA a 620 MPA.
Trattamento della superficie: per rendere la superficie più fluida, la lucidatura delle vibrazioni o la lucidatura elettrochimica vengono utilizzati. La pedening del tiro viene quindi utilizzata per aggiungere sollecitazione a compressione residua. Ad esempio, la durata a fatica di una lama del motore aeronautico specifico è 1,2 volte quella di un oggetto forgiato a seguito di una combinazione di peluche e lucidatura delle vibrazioni.
4. Digital Twin: previsione e controllo del circuito chiuso
Il Prime Project del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti ha utilizzato la fusione del sensore multi - e le tecnologie gemelle digitali per creare un sistema di loop -} chiuso per monitorare il processo di stampa e prevederne la longevità.
Real - Monitoraggio temporale della temperatura del pool di fusione, accumulo di calore e sviluppo di difetti usando una combinazione di sensori ottici, a infrarossi e acustici. Il sensore acustico dell'azienda Addiguru, ad esempio, può riprendere cambiamenti minimi nelle onde sonore all'interno dei metalli e trovare pori di 20 μ m o più diametro.
Modellazione di un gemello digitale: fare copie virtuali di ciascuna parte, tenere traccia dei difetti e testare come funzionano sotto pressioni variabili. Il software Genoa di Alphastar utilizza la simulazione della microstruttura e la meccanica della frattura per indovinare quanto durano le parti durano sotto i 10 cicli di 10 ⁷, con un tasso di errore inferiore al 10%.
Test in laboratorio: utilizzare i test di fatica per assicurarsi che il modello sia corretto. L'Università di Auburn ha testato campioni TI6AL4V stampati in 3D 10 volte e ha scoperto che la durata della vita prevista del modello digitale corrispondeva al valore effettivo del 92%.
5. Pratica del settore: apprendimento dai casi passati
GE Aviation utilizza la tecnologia SLM per stampare gli ugelli del carburante per motori Leap nel settore aerospaziale. Questi ugelli durano il doppio delle parti forgiate tradizionali e hanno volato per oltre 10 milioni di ore senza fallire.
Nel campo medico, Johnson & Johnson 3D ha stampato tazze d'anca in lega di cromo di cobalto che hanno superato 10 cicli nei test di fatica che imitavano un ambiente umano. Questo è molto meglio dello standard del settore dei cicli 5 × 10.
Nel settore automobilistico, BMW Group impiega giacche in lega in lega di alluminio stampate in 3D che sono più leggere del 40% grazie all'ottimizzazione della topologia. Usano anche il trattamento termico T6 per farli durare oltre 2000 ore, il che è perfetto per i motori che funzionano in condizioni molto difficili.