Hur utvärderar jag trötthetslivet för metall 3D -tryckta delar?

1. Standardiserad testning: Ställa in riktmärken för utvärdering
Den internationella organisationen för standardisering (ISO) och American Society for Assessing and Materials (ASTM) fastställer de grundläggande reglerna för att bedöma trötthetslivet för metall 3D -tryckta föremål. ASTM E466-21-standarden är en av dessa. Det standardiserar formen, storlek, lastningsmetod och datainsamlingsmetodik för testprover så att forskare kan testa den axiella trötthetsliven för metalllegeringar. Denna standard säger:
Att göra provet klart: Laserselektiv smältning (SLM) eller elektronstråle -smältning (EBM) -procedurer används för att skriva ut standardcylindriska stavar eller böjda strålprover för att se till att dimensionerna är korrekta. Till exempel ändrade ett flygmotorföretag utskriftsinställningarna så att Ti6AL4V -provernas ytråhet gick från RA 12 μm till RA 3,2 μm. Detta sänkte risken för stresskoncentration kraftigt.
Miljökontroll: För att hålla miljöpåverkan från att påverka trötthetsbeteende, hålla ett öga på testmiljöns temperatur (± 2 grader), luftfuktighet (± 5% RH) och syrekoncentration. Till exempel, medan man testar 316L rostfritt stålprover i en saltspraymiljö, krävs det att replikera havsförhållanden för att bedöma prestanda för trötthet mot korrosion.
Insamling och analys av data: Med hjälp av statistiska metoder för att göra S - n -kurvor för att hitta trötthetsgränsen för materialförhållanden kan du övervaka cykeltider, stresrespons och spricktid i realtid. En tillverkare av medicintekniska produkter har testat sin 3D -tryckta koboltkromlegering Artificial Joint 10 gånger och fann att dess trötthetsstyrka är mer än 95% av den för smidda delar.
2. Karakterisering av defekter: ta reda på vad som orsakade misslyckandet
Interna brister har en stor effekt på hur lång metall 3D -tryckta föremål kan pågå. Studier har visat att dimensionerna, platsen och anpassningen av oförstörda brister, porer och osmältpartiklar är kritiska determinanter i början av trötthetssprickor. Till exempel kan porer i Ti6AL4V -legering som är mer än 50 μm breda minska trötthetslivslängden med mer än 60%. Så vi måste använda multi - skala detekteringsmetoder för att fullständigt beskriva defekter:
Testning som inte skadar objektet: X - Ray Computed Tomography (CT) används för att mäta mängden porositet och fördelningen av fel. Ultraljudstest används också för att hitta problem i bindningen mellan lager. En specifik leverantör av luftfartskomponent som upptäckts via CT -skanning om att förädla skanningsmetoden kan minska porositeten från 0,8% till 0,2%.
Analys av metaller: Titta på mikrostrukturändringen och se hur värmebehandling påverkar storleken på kornen och fasens sammansättning. Till exempel kan varmisostatisk pressning (höft) göra alfaskornen i Ti6AL4V -legeringen mindre än 5 μm, vilket kraftigt ökar trötthetsresistensen.
Mätning av restspänning: Använd metoden för laser små hål eller x - stråldiffraktionsmetod för att hitta restspänning på ytan och se hur det påverkar hastigheten med vilken sprickor sprids. En viss biltillverkare använde skott som kikade för att lägga till -400MPa av återstående tryckspänning, vilket gjorde att aluminiumlegeringshjul varade tre gånger längre.
3, Processoptimering: Hantera faror vid källan
Inställningarna för utskriftsprocessen har en direkt effekt på delarnas mikrostruktur och defektegenskaper. Trötthetslivet kan förbättras kraftigt med fin - inställningar och post - bearbetning:
Kontroll av energitäthet: För att minimera stänkfel orsakade av för lite eller för mycket energi, bör du justera laserkraften, skanningshastigheten och skikttjockleken. Till exempel använde ett företag DOE -experimentell design för att upptäcka att den bästa energitätheten för SLM -tryckning 316L rostfritt stål är 80J/mm ³, vilket gör det 25% starkare mot trötthet.
Optimering av konstruktionsriktning: Make Anisotropy har mindre effekt på trötthetsprestanda. Till exempel är trötthetslivslängden för dragprover som är vinkelrätt mot tryckskiktet 40% mindre än för prover som är parallella med den. Detta kan förbättras kraftigt genom att ändra vinkeln vid vilken delarna placeras.
Teknik för post - Bearbetning:
Varm isostatisk pressning (höft) blir av med inre porer och höjer trötthetsstyrkan hos Ti6AL4V -legeringen från 450MPa till 620MPa.
Behandling av ytan: För att göra ytan jämnare används vibrationspolering eller elektrokemisk polering. Shot Peening används sedan för att lägga till återstående tryckspänning. Till exempel är trötthetslivslängden för ett specifikt flygmotorblad 1,2 gånger det för ett förfalskat föremål efter en kombination av skott och vibrationspolering.
4. Digital tvilling: Förutsäga och kontrollera sluten slinga
Det amerikanska försvarsdepartementets Prime -projekt har använt multi - sensorfusion och digital tvillingteknik för att skapa ett stängt - slingsystem för att övervaka tryckprocessen och förutsäga dess livslängd.
Verklig - Tidsövervakning av smältpooltemperatur, värmeansamling och defektutveckling med hjälp av en kombination av optiska, infraröda och akustiska sensorer. Adiguru -företagets akustiska sensor, till exempel, kan ta upp minutförändringar i ljudvågor inuti metaller och hitta porer som är 20 μm eller större i diameter.
Modellera en digital tvilling: Gör virtuella kopior av varje del, håll reda på defekter och testa hur de fungerar under olika tryck. Alphastars Genua -programvara använder mikrostruktursimulering och sprickmekanik för att gissa hur länge delar kommer att pågå under 10 ⁷ cykler, med en felhastighet på mindre än 10%.
Testning i labbet: Använd trötthetstest för att se till att modellen är korrekt. Auburn University testade 3D -tryckta TI6AL4V -prover 10 gånger och fann att den digitala tvillingmodellens förväntade livslängd matchade det verkliga värdet med 92%.
5. Branschpraxis: Lärande från tidigare fall
GE Aviation använder SLM -teknik för att skriva ut LEAP -motorbränslemunstycken i flygindustrin. Dessa munstycken håller dubbelt så länge som traditionella smidda delar och har flygt i mer än 10 miljoner timmar utan att misslyckas.
Inom det medicinska området tryckte Johnson & Johnson 3D Cobalt Chromium Alloy Hip Joint Cups som passerade 10 cykler i trötthetstestning som efterliknade en mänsklig miljö. Detta är mycket bättre än branschstandarden för 5 × 10 cykler.
I bilindustrin använder BMW -gruppen 3D -tryckta aluminiumlegeringsvattenjackor som är 40% lättare tack vare optimering av topologin. De använder också T6 -termisk behandling för att få dem att hålla under 2000 timmar, vilket är perfekt för motorer som körs under mycket hårda förhållanden.