Πώς να αξιολογήσετε τη διάρκεια της κόπωσης των μεταλλικών τρισδιάστατων τμημάτων;

1. Τυποποιημένες δοκιμές: Ρύθμιση σημείων αναφοράς για αξιολόγηση
Ο Διεθνής Οργανισμός Τυποποίησης (ISO) και η Αμερικανική Εταιρεία Αξιολόγησης και Υλικών (ASTM) καθορίζουν τους βασικούς κανόνες για την αξιολόγηση της διάρκειας ζωής των μεταλλικών τρισδιάστατων ειδών. Το πρότυπο ASTM E466-21 είναι ένα από αυτά. Τυποποιεί το σχήμα, το μέγεθος, τη μέθοδο φόρτωσης και τη μεθοδολογία συλλογής δεδομένων των δειγμάτων δοκιμών έτσι ώστε οι επιστήμονες να μπορούν να δοκιμάσουν την αξονική διάρκεια ζωής των κραμάτων μετάλλων. Αυτό το πρότυπο λέει:
Η λήψη του δείγματος έτοιμο: Οι διαδικασίες επιλεκτικής τήξης λέιζερ (SLM) ή ληξιπρόθεσμες δέσμης ηλεκτρονίων (EBM) χρησιμοποιούνται για την εκτύπωση τυπικών κυλινδρικών ράβδων ή δείγματα καμπύλης δέσμης για να βεβαιωθείτε ότι οι διαστάσεις είναι σωστές. Για παράδειγμα, μια εταιρεία κινητήρων αεροπορίας άλλαξε τις ρυθμίσεις εκτύπωσης έτσι ώστε η επιφανειακή τραχύτητα των δειγμάτων TI6AL4V από την RA 12 μm σε RA 3,2 μm. Αυτό μείωσε σημαντικά την πιθανότητα συγκέντρωσης στρες.
Περιβαλλοντικός έλεγχος: Για να διατηρηθεί η περιβαλλοντική επιρροή από την επίδραση της συμπεριφοράς της κούρασης, να παρακολουθείτε προσεκτικά τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος δοκιμών (± 2 βαθμούς), την υγρασία (± 5% RH) και τη συγκέντρωση οξυγόνου. Για παράδειγμα, ενώ δοκιμάζετε δείγματα από ανοξείδωτο χάλυβα 316L σε περιβάλλον ψεκασμού αλατιού, απαιτείται να αναπαράγετε τις συνθήκες των ωκεανών για την αξιολόγηση της απόδοσης της αντοχής στη διάβρωση.
Συλλογή και ανάλυση δεδομένων: Χρήση στατιστικών μεθόδων για να κάνετε τις καμπύλες S - N για να βρείτε το όριο κόπωσης των συνθηκών υλικού, μπορείτε να παρακολουθείτε τους χρόνους κύκλου, την απόκριση στρες και το χρόνο θραύσης σε πραγματικό χρόνο. Ένας κατασκευαστής ιατρικών συσκευών έχει δοκιμάσει την τεχνητή άρθρωση από κράμα χρώματος 3D εκτυπωμένου Cobalt Chromium 10 φορές και διαπίστωσε ότι η αντοχή της κόπωσης είναι πάνω από το 95% αυτού των πλαστών τμημάτων.
2. Χαρακτηρισμός των ελαττωμάτων: Ανακαλύψτε τι προκάλεσε την αποτυχία
Οι εσωτερικές ατέλειες έχουν μεγάλη επίδραση στο πόσο καιρό μπορούν να διαρκέσουν τα τυπωμένα μέταλλα 3D. Μελέτες έχουν αποδείξει ότι οι διαστάσεις, η θέση και η ευθυγράμμιση των αδιευκρίνιστων ατέλειων, των πόρων και των μη κονσέρβων σωματιδίων είναι κρίσιμοι καθοριστικοί παράγοντες στην έναρξη των ρωγμών κόπωσης. Για παράδειγμα, οι πόροι σε κράμα TI6AL4V που έχουν πλάτος άνω των 50 μm μπορούν να μειώσουν τη διάρκεια ζωής κατά περισσότερο από 60%. Έτσι, πρέπει να χρησιμοποιήσουμε τις προσεγγίσεις ανίχνευσης κλίμακας Multi - για να περιγράψουμε πλήρως ελαττώματα:
Δοκιμές που δεν βλάπτουν το αντικείμενο: x - Η υπολογιστική τομογραφία ακτίνων (CT) χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της ποσότητας του πορώδους και της κατανομής των βλαβών. Οι δοκιμές υπερήχων χρησιμοποιούνται επίσης για να βρεθούν προβλήματα στη συγκόλληση μεταξύ των στρωμάτων. Ένας ειδικός προμηθευτής εξαρτημάτων αεροπορίας που ανακαλύφθηκε μέσω σάρωσης CT ότι η διύλιση της προσέγγισης σάρωσης μπορεί να μειώσει το πορώδες από 0,8% σε 0,2%.
Ανάλυση των μετάλλων: Παρακολουθήστε την αλλαγή της μικροδομής και δείτε πώς η θερμική επεξεργασία επηρεάζει το μέγεθος των κόκκων και τη σύνθεση των φάσεων. Για παράδειγμα, το Hot Isostatic Pressing (HIP) μπορεί να κάνει τους κόκκους άλφα φάσης του κράματος Ti6Al4V μικρότερο από 5 μm, γεγονός που αυξάνει σημαντικά την αντίσταση στην κόπωση.
Μέτρηση της υπολειμματικής τάσης: Χρησιμοποιήστε τη μέθοδο μικρού οπών λέιζερ ή τη μέθοδο διάθλασης X - ακτίνων για να βρείτε υπολειμματική τάση στην επιφάνεια και δείτε πώς επηρεάζει τον ρυθμό με τον οποίο εξαπλώνονται οι ρωγμές. Ένας συγκεκριμένος κατασκευαστής αυτοκινήτων χρησιμοποίησε το σκυλάκι για να προσθέσει -400MPa υπολειμματικού συμπιεστικού στρες, το οποίο έκανε τους τροχούς αλουμινίου αλουμινίου να διαρκούν τρεις φορές περισσότερο.
3, Βελτιστοποίηση διαδικασίας: Διαχείριση κινδύνων στην πηγή
Οι ρυθμίσεις της διαδικασίας εκτύπωσης έχουν άμεση επίδραση στη μικροδομή και τα χαρακτηριστικά των ελαττωμάτων των τμημάτων. Η ζωή κόπωσης μπορεί να ενισχυθεί σημαντικά από το Fine - Ρυθμίσεις ρύθμισης και την ανάρτηση - επεξεργασία:
Έλεγχος της ενεργειακής πυκνότητας: Για να ελαχιστοποιήσετε τα σφάλματα εκτόξευσης που προκαλούνται από πολύ μικρή ή υπερβολική ενέργεια, θα πρέπει να ρυθμίσετε την ισχύ του λέιζερ, την ταχύτητα σάρωσης και το πάχος του στρώματος. Για παράδειγμα, μια εταιρεία χρησιμοποίησε πειραματικό σχεδιασμό DOE για να διαπιστώσει ότι η καλύτερη ενεργειακή πυκνότητα για την εκτύπωση SLM 316L ανοξείδωτος χάλυβα είναι 80J/mm ³, γεγονός που το καθιστά 25% ισχυρότερο έναντι κόπωσης.
Βελτιστοποίηση κατεύθυνσης κατασκευής: Η ανισοτροπία έχει λιγότερη επίδραση στην απόδοση κόπωσης. Για παράδειγμα, η διάρκεια ζωής των δειγμάτων εφελκυσμού που είναι κάθετα προς το στρώμα εκτύπωσης είναι 40% μικρότερο από αυτό των δειγμάτων που είναι παράλληλα με αυτό. Αυτό μπορεί να βελτιωθεί σημαντικά αλλάζοντας τη γωνία με την οποία τοποθετούνται τα μέρη.
Τεχνολογία για post - επεξεργασία:
Το Hot Isostatic Pressing (HIP) απαλλάσσεται από τους εσωτερικούς πόρους και αυξάνει την αντοχή κόπωσης του κράματος Ti6Al4V από 450MPa σε 620MPa.
Θεραπεία της επιφάνειας: Για να γίνει η επιφάνεια ομαλότερη, χρησιμοποιείται η στίλβωση δονήσεων ή η ηλεκτροχημική στίλβωση. Στη συνέχεια, χρησιμοποιείται η ακτινοβολία για την προσθήκη υπολειμματικής συμπιεστικής πίεσης. Για παράδειγμα, η διάρκεια ζωής κόπωσης μιας συγκεκριμένης λεπίδας κινητήρα αεροσκαφών είναι 1,2 φορές αυτή ενός σφυρηλατημένου στοιχείου μετά από συνδυασμό στίλβας από τη σκλήρυνση και τη στίλβωση των κραδασμών.
4. Ψηφιακό δίδυμο: Πρόβλεψη και έλεγχος κλειστού βρόχου
Το Prime Project του Υπουργείου Άμυνας των ΗΠΑ χρησιμοποίησε το Multi - Fusion και ψηφιακές τεχνολογίες Twin για να δημιουργήσει ένα κλειστό σύστημα - για την παρακολούθηση της διαδικασίας εκτύπωσης και την πρόβλεψη της μακροζωίας του.
Πραγματικό - Παρακολούθηση χρόνου της θερμοκρασίας της πισίνας τήγματος, της συσσώρευσης θερμότητας και της ανάπτυξης ελαττωμάτων χρησιμοποιώντας ένα συνδυασμό οπτικών, υπερύθρων και ακουστικών αισθητήρων. Ο ακουστικός αισθητήρας της εταιρείας Addiguru, για παράδειγμα, μπορεί να παραλάβει μικρές αλλαγές στα ηχητικά κύματα μέσα στα μέταλλα και να βρει πόρους που έχουν 20 μm ή μεγαλύτερα σε διάμετρο.
Μοντελοποίηση ενός ψηφιακού δίδυμου: Δημιουργήστε εικονικά αντίγραφα κάθε μέρους, παρακολουθείτε τα ελαττώματα και δοκιμάστε τον τρόπο λειτουργίας τους κάτω από διαφορετικές πιέσεις. Το λογισμικό της Genoa της Alphastar χρησιμοποιεί την προσομοίωση μικροδομής και τη μηχανική θραύσης για να μαντέψει πόσο μακρά μέρη θα διαρκέσει κάτω από 10 ⁷ κύκλους, με ποσοστό σφάλματος μικρότερο από 10%.
Δοκιμή στο εργαστήριο: Χρησιμοποιήστε δοκιμές κόπωσης για να βεβαιωθείτε ότι το μοντέλο είναι σωστό. Το Πανεπιστήμιο Auburn εξέτασε 3D τυπωμένα δείγματα TI6AL4V 10 φορές και διαπίστωσε ότι η αναμενόμενη διάρκεια ζωής του ψηφιακού δίδυμου μοντέλου ταιριάζει με την πραγματική τιμή κατά 92%.
5. Πρακτική βιομηχανίας: Μάθηση από προηγούμενες περιπτώσεις
Η GE Aviation χρησιμοποιεί την τεχνολογία SLM για να εκτυπώσει ακροφύσια καυσίμου κινητήρα στην αεροδιαστημική βιομηχανία. Αυτά τα ακροφύσια διαρκεί δύο φορές όσο τα παραδοσιακά πλαστά μέρη και έχουν πετάξει για περισσότερο από 10 εκατομμύρια ώρες χωρίς να αποτύχουν.
Στον ιατρικό τομέα, οι Johnson & Johnson 3D εκτυπωμένες κύπελλα Hip Hip Hip που πέρασαν 10 κύκλους σε δοκιμές κόπωσης που μιμούνται ένα ανθρώπινο περιβάλλον. Αυτό είναι πολύ καλύτερο από το βιομηχανικό πρότυπο των 5 × 10 κύκλων.
Στη βιομηχανία αυτοκινήτων, η BMW Group απασχολεί τρισδιάστατα τυπωμένα μπουφάν για το κράμα αλουμινίου που είναι 40% ελαφρύτερα χάρη στη βελτιστοποίηση της τοπολογίας. Χρησιμοποιούν επίσης τη θερμική θεραπεία T6 για να κάνουν τις τελευταίες πάνω από 2000 ώρες, η οποία είναι ιδανική για κινητήρες που τρέχουν σε πολύ σκληρές συνθήκες.