Kaip įvertinti metalo 3D spausdintų dalių nuovargio tarnavimo laiką?

1. Standartizuotas testavimas: įvertinimo etalonų nustatymas
Tarptautinė standartizacijos organizacija (ISO) ir Amerikos vertinimo ir medžiagų draugija (ASTM) nustato pagrindines metalo 3D spausdintų daiktų nuovargio laiko įvertinimo taisykles. ASTM E466-21 standartas yra vienas iš šių. Tai standartizuoja bandomųjų mėginių formą, dydį, pakrovimo metodą ir duomenų rinkimo metodiką, kad mokslininkai galėtų išbandyti metalo lydinių ašinio nuovargio tarnavimo laiką. Šis standartas sako:
Paruoškite mėginį: Lazerio selektyvus lydymosi (SLM) arba elektronų pluošto lydymosi (EBM) procedūros naudojamos standartiniams cilindriniams strypams arba išlenkto sijos bandiniams spausdinti, kad įsitikintumėte, jog matmenys yra teisingi. Pavyzdžiui, viena aviacijos variklio įmonė pakeitė spausdinimo parametrus taip, kad Ti6Al4V mėginių paviršiaus šiurkštumas iš RA 12 μm iki Ra 3,2 μm. Tai labai sumažino streso koncentracijos tikimybę.
Aplinkos kontrolė: Norėdami, kad aplinkos poveikis nuovargio elgesiui paveiktų, atidžiai stebėkite bandymo aplinkos temperatūrą (± 2 laipsnį), drėgmę (± 5% RH) ir deguonies koncentraciją. Pavyzdžiui, bandant 316L nerūdijančio plieno mėginius druskos purškimo aplinkoje, reikia atkartoti vandenyno sąlygas, kad būtų galima įvertinti atsparumo korozijai nuovargiui.
Duomenų rinkimas ir analizė: Naudojant statistinius metodus S - n kreivėms, kad būtų galima rasti medžiagų sąlygų nuovargio ribą, galite stebėti ciklo laiką, streso reakciją ir lūžio laiką realiu laiku. Medicinos prietaisų gamintojas 10 kartų išbandė savo 3D atspausdinto kobalto chromo lydinio dirbtinio jungties 10 kartų ir nustatė, kad jo nuovargio stiprumas yra didesnis nei 95% suklastotų dalių.
2. Defektų apibūdinimas: išsiaiškinkite, kas sukėlė gedimą
Vidiniai trūkumai daro didelę įtaką tam, kiek laiko metalo 3D spausdinami daiktai gali trukti. Tyrimai parodė, kad nepanaudojamų trūkumų, porų ir nemalonių dalelių matmenys, vieta ir suderinimas yra kritiniai veiksniai, lemiantys nuovargio įtrūkimų pradžią. Pavyzdžiui, Ti6Al4V lydinio poros, kurių plotis yra didesnis nei 50 μm, gali sumažinti nuovargio tarnavimo laiką daugiau nei 60%. Taigi, norint išsamiai apibūdinti defektus, turime naudoti kelių - mastelio aptikimo metodus:
Testavimas, nepažeidžiantis objekto: x - Ray kompiuterinė tomografija (CT) naudojama poringumo kiekiui ir gedimų pasiskirstymui išmatuoti. Ultragarsiniai bandymai taip pat naudojami norint rasti problemų tarp sluoksnių. Konkretus aviacijos komponentų tiekėjas per kompiuterinę skenavimą aptiko, kad nuskaitymo metodo patikslinimas gali sumažinti poringumą nuo 0,8% iki 0,2%.
Metalų analizė: Stebėkite mikrostruktūros pokyčius ir sužinokite, kaip termiškas apdorojimas veikia grūdų dydį ir fazių sudėties. Pavyzdžiui, karštas izostatinis presavimas (HIP) gali padaryti mažesnį nei 5 μm Ti6Al4v lydinio alfa fazės grūdus, o tai labai padidina atsparumą nuovargiui.
Liekamojo įtempio matavimas: naudokite lazerio mažos skylės metodą arba x - spindulio difrakcijos metodą, kad rastumėte paviršiaus liekamąjį įtempį ir pamatytumėte, kaip jis veikia įtrūkimų plitimo greitį. Tam tikras automobilių gamintojas panaudojo šūvį, norėdamas pridėti -400MPa liekamojo gniuždomojo įtempio, dėl kurio aliuminio lydinio ratlankiai buvo trunkantys tris kartus ilgiau.
3, Proceso optimizavimas: pavojų valdymas šaltinyje
Spausdinimo proceso parametrai daro tiesioginį poveikį dalių mikrostruktūrai ir defektų charakteristikoms. Nuovargio gyvenimą galima labai sustiprinti fine - derinimo parametrai ir paskelbti - apdorojimą:
Energijos tankio valdymas: Norėdami sumažinti purslų gedimus, kuriuos sukelia per mažai ar per daug energijos, turėtumėte sureguliuoti lazerio galią, nuskaitymo greitį ir sluoksnio storią. Pavyzdžiui, įmonė naudojo DOE eksperimentinį dizainą, norėdama sužinoti, kad geriausias energijos tankis SLM spausdinimui 316L nerūdijantis plienas yra 80J/mm ³, todėl jis tampa 25% stipresnis nuo nuovargio.
Statybos krypčių optimizavimas: padaryti anizotropiją, darykite mažiau įtakos nuovargio veikimui. Pavyzdžiui, tempimo mėginių, statmenų spausdinimo sluoksniui statmenai, nuovargis yra 40% mažesnis nei pavyzdžių, kurie yra lygiagrečiai. Tai galima žymiai patobulinti keičiant kampą, kuriuo dedamos dalys.
Post - apdorojimo technologija:
Karštas izostatinis presavimas (HIP) atsikrato vidinių porų ir padidina Ti6Al4V lydinio nuovargio stiprumą nuo 450MPa iki 620MPa.
Paviršiaus gydymas: Kad paviršius būtų lygesnis, vibracijos poliravimas ar elektrocheminis poliravimas naudojamas. Tada šūviai naudojami norint pridėti liekamąjį gniuždomąjį įtempį. Pavyzdžiui, konkretaus orlaivio variklio ašmenų nuovargis yra 1,2 karto didesnis nei suklastotas daiktas po šaudymo peening ir vibracijos poliravimo derinio.
4. Skaitmeninis dvynys: numatant ir tikrinant uždarą kilpą
Pagrindiniame JAV gynybos departamento projekte buvo naudojamasi multi - jutiklių suliejimo ir skaitmeninių dvynių technologijų, kad būtų sukurta uždara - kilpos sistema spausdinimo procesui stebėti ir numatyti jo ilgaamžiškumą.
Tikras - laiko stebėjimas lydymosi baseino temperatūros, šilumos kaupimosi ir defektų vystymosi stebėjimas naudojant optinių, infraraudonųjų ir akustinių jutiklių derinį. Pavyzdžiui, „Addiguru“ kompanijos akustinis jutiklis gali pasirinkti minutes garso bangų pokyčius metalų viduje ir rasti 20 μm ar didesnio skersmens poras.
Skaitmeninio dvynuko modeliavimas: padarykite virtualias kiekvienos dalies kopijas, stebėkite defektus ir išbandykite, kaip jie veikia esant skirtingam slėgiui. „Alphastar“ „Genujos“ programinė įranga naudoja mikrostruktūros modeliavimą ir lūžių mechaniką, kad atspėtų, kiek laiko truks iki 10 ⁷ ciklų, o klaidų lygis yra mažesnis nei 10%.
Testavimas laboratorijoje: naudokite nuovargio testavimą, kad įsitikintumėte, jog modelis yra teisingas. „Auburn University“ 10 kartų išbandė 3D spausdintus TI6Al4V pavyzdžius ir nustatė, kad numatomas skaitmeninio dvynių modelio gyvenimo trukmė atitiko tikrąją vertę 92%.
5. Pramonės praktika: mokymasis iš ankstesnių atvejų
„GE Aviation“ naudoja SLM technologiją, kad atspausdintų šuolių variklio degalų purkštukus aviacijos ir kosmoso pramonėje. Šie purkštukai trunka dvigubai ilgiau nei tradicinės suklastotos dalys ir skraidė daugiau nei 10 milijonų valandų, nesėkmingai.
Medicinos srityje „Johnson & Johnson 3D“ spausdino kobalto chromo lydinio klubo sąnario puodelius, kurie praėjo 10 ciklų nuovargio tikrinant, kurie mėgdžiojo žmogaus aplinką. Tai yra daug geriau nei 5 × 10 ciklų pramonės standartas.
Automobilių pramonėje „BMW Group“ dirba 3D spausdintos aliuminio lydinio vandens striukės, kurios yra 40% lengvesnės, nes topologijos optimizavimas. Jie taip pat naudoja T6 terminį apdorojimą, kad jie galėtų trukti daugiau nei 2000 valandų, o tai puikiai tinka varikliams, kurie veikia labai atšiauriomis sąlygomis.