Hoe evalueert u de vermoeidheidsleven van metalen 3D -geprinte onderdelen?

1. Gestandaardiseerde testen: benchmarks instellen voor evaluatie
De International Organisation for Standardization (ISO) en de American Society for Assessing and Materials (ASTM) hebben de basisregels vastgesteld voor het beoordelen van de vermoeidheidsleven van metalen 3D -geprinte items. De ASTM E466-21-standaard is een van deze. Het standaardiseert de vorm, grootte, laadmethode en gegevensverzamelingsmethode van testmonsters, zodat wetenschappers de axiale vermoeidheidsleven van metaallegeringen kunnen testen. Deze standaard zegt:
Het monster gereed maken: Laser Selective Smelting (SLM) of elektronenstraal smelten (EBM) procedures worden gebruikt om standaard cilindrische staven of gebogen bundelspecimens af te drukken om ervoor te zorgen dat de afmetingen correct zijn. Eén luchtvaartmotorbedrijf heeft bijvoorbeeld de afdrukinstellingen gewijzigd, zodat de ruwheid van de Ti6AL4V -monsters van RA 12 μm naar RA 3,2 μm ging. Dit verlaagde de kans op stressconcentratie aanzienlijk.
Omgevingscontrole: om te voorkomen dat omgevingsinvloeden het gedrag van vermoeidheid beïnvloeden, houdt u de temperatuur van de testomgeving (± 2 graden), vocht (± 5% RV) en zuurstofconcentratie nauwlettend in de gaten. Tijdens het testen van 316L roestvrijstalen monsters in een zoutsprayomgeving, is het bijvoorbeeld vereist om oceaanomstandigheden te repliceren om de prestaties van de corrosievermoeheid weerstand te beoordelen.
Gegevens verzamelen en analyseren: statistische methoden gebruiken om s - n curven te maken om de vermoeidheidslimiet van materiaalomstandigheden te vinden, kunt u cyclustijden, stressrespons en breuktijd in realtime controleren. Een fabrikant van medische hulpmiddelen heeft zijn 3D -geprinte kobaltchroomlegering 10 keer getest en ontdekte dat de vermoeidheidssterkte meer dan 95% van die van vervalste delen is.
2. Karakterisering van defecten: uitzoeken wat de falen heeft veroorzaakt
Interne gebreken hebben een groot effect op hoe lang met metalen 3D -geprinte items kunnen duren. Studies hebben aangetoond dat de afmetingen, locatie en uitlijning van niet -gebruikte fouten, poriën en niet -geslelde deeltjes kritische determinanten zijn bij het begin van vermoeidheidsscheuren. Poriën in Ti6al4V -legering die meer dan 50 μm breed zijn, kunnen bijvoorbeeld het leven van de vermoeidheid met meer dan 60%verminderen. We moeten dus multi {- schaaldetectiebenaderingen gebruiken om defecten volledig te beschrijven:
Testen die het object niet beschadigen: x - ray computed tomography (CT) wordt gebruikt om de hoeveelheid porositeit en de verdeling van fouten te meten. Ultrasone tests worden ook gebruikt om problemen te vinden bij de binding tussen lagen. Een specifieke leverancier van de luchtvaartcomponent ontdekte via CT -scanning dat het verfijnen van de scanbenadering de porositeit kan verminderen van 0,8% naar 0,2%.
Analyse van metalen: bekijk de microstructuurverandering en kijk hoe warmtebehandeling de grootte van de korrels en de samenstelling van de fasen beïnvloedt. Hot isostatisch persen (HIP) kan bijvoorbeeld de alfabasekorrels van de Ti6Al4V -legering kleiner zijn dan 5 μm, wat de vermoeidheidsweerstand aanzienlijk verhoogt.
Meting van restspanning: gebruik de methode voor kleine laser klein gat of de x - ragediffractiemethode om restspanning op het oppervlak te vinden en te zien hoe het de snelheid beïnvloedt waarmee scheuren zich verspreiden. Een bepaalde autofabrikant gebruikte shot peening om -400MPa resterende drukspanning toe te voegen, waardoor aluminium lichtmetalen wielen drie keer langer duren.
3, Procesoptimalisatie: het beheren van gevaren bij de bron
De instellingen van het afdrukproces hebben een direct effect op de microstructuur- en defectkenmerken van de onderdelen. Het leven van vermoeidheid kan sterk worden verbeterd door Fine - Tuning -instellingen en post - verwerking:
Controle van de energiedichtheid: om spetterende fouten veroorzaakt door te weinig of te veel energie te minimaliseren, moet u de laservermogen, scansnelheid en laagdikte aanpassen. Een bedrijf gebruikte bijvoorbeeld DOE -experimenteel ontwerp om te ontdekken dat de beste energiedichtheid voor SLM -printen 316L roestvrij staal 80J/mm ³ is, waardoor het 25% sterker is tegen vermoeidheid.
Optimalisatie van de bouwrichting: maak anisotropie minder effect op vermoeidheidsprestaties. De vermoeidheidsleven van trekspecimens die loodrecht op de druklaag staan, is bijvoorbeeld 40% minder dan die van monsters die er parallel aan zijn. Dit kan aanzienlijk worden verbeterd door de hoek te wijzigen waarop de onderdelen worden geplaatst.
Technologie voor post - verwerking:
Hot isostatisch persen (heup) verwijdert interne poriën en verhoogt de vermoeidheidssterkte van de Ti6Al4V -legering van 450MPa tot 620MPa.
Behandeling van het oppervlak: om het oppervlak gladder te maken, wordt trillingspolijsten of elektrochemisch polijsten gebruikt. Shot Peening wordt vervolgens gebruikt om resterende drukspanning toe te voegen. De vermoeidheidsleven van een specifiek vliegtuigmotorblad is bijvoorbeeld 1,2 keer die van een gesmeed item na een combinatie van shot peening en trillingenpolijsten.
4. Digitale tweeling: het voorspellen en controleren van gesloten lus
Het prime -project van het Amerikaanse ministerie van Defensie heeft multi - sensorfusie en digitale Twin Technologies gebruikt om een ​​gesloten - lussysteem te maken voor het bewaken van het afdrukproces en het voorspellen van de levensduur.
Real - Tijdbewaking van smeltpooltemperatuur, warmteaccumulatie en defectontwikkeling met behulp van een combinatie van optische, infrarood- en akoestische sensoren. De akoestische sensor van het Addiguru -bedrijf kan bijvoorbeeld op minuutveranderingen in geluidsgolven in metalen ophalen en poriën vinden die een diameter van 20 μm of groter hebben.
Modelleren van een digitale tweeling: maak virtuele kopieën van elk onderdeel, houd defecten bij en test hoe ze werken onder verschillende druk. Alphastar's Genua -software maakt gebruik van microstructuursimulatie en breukmechanica om te raden hoe lang delen onder 10 ⁷ cycli gaan duren, met een foutenpercentage van minder dan 10%.
Testen in het lab: gebruik vermoeidheidstesten om ervoor te zorgen dat het model correct is. Auburn University testte 3D -geprinte TI6AL4V -monsters 10 keer en ontdekte dat de verwachte levensduur van het digitale Twin -model de werkelijke waarde met 92%overeenkwam.
5. Industriepraktijk: leren uit eerdere cases
GE Aviation maakt gebruik van SLM -technologie om LEAP Engine -brandstofmondstukken in de ruimtevaartindustrie af te drukken. Deze sproeiers duren twee keer zo lang als traditionele gesmede delen en zijn meer dan 10 miljoen uur gevlogen zonder te falen.
Op medisch gebied bedrukte Johnson & Johnson 3D Cobalt Chromium Alloy Hip Joint Cups die 10 cycli in vermoeidheidstesten hebben doorstaan ​​die een menselijke omgeving nabootst. Dit is veel beter dan de industriestandaard van 5 × 10 cycli.
In de auto -industrie gebruikt BMW Group 3D -geprinte aluminiumlegering waterjacks die 40% lichter zijn dankzij de optimalisatie van topologie. Ze gebruiken ook T6 -thermische behandeling om ze meer dan 2000 uur te laten duren, wat perfect is voor motoren die in zeer harde omstandigheden worden uitgevoerd.