¿Cómo evaluar la vida de fatiga de las piezas impresas en 3D de metal?

1. Prueba estandarizada: configuración de puntos de referencia para la evaluación
La Organización Internacional de Estandarización (ISO) y la Sociedad Americana para la Evaluación y los Materiales (ASTM) establecen las reglas básicas para evaluar la vida de fatiga de los artículos impresos en 3D de metal. El estándar ASTM E466-21 es uno de estos. Estandariza la forma, el tamaño, el método de carga y la metodología de recopilación de datos de las muestras de prueba para que los científicos puedan probar la vida de fatiga axial de las aleaciones de metal. Este estándar dice:
Preparando la muestra: los procedimientos de fusión selectiva (SLM) o del haz de electrones (EBM) se utilizan para imprimir varillas cilíndricas estándar o muestras de haz curvo para asegurarse de que las dimensiones sean correctas. Por ejemplo, una empresa de motor de aviación cambió la configuración de impresión para que la rugosidad de la superficie de las muestras TI6AL4V pasara de RA 12 μ m a RA 3.2 μ m. Esto redujo enormemente la posibilidad de concentración de estrés.
Control ambiental: para evitar que las influencias ambientales afecten el comportamiento de cansancio, vigile de cerca la temperatura del entorno de prueba (± 2 grados), la humedad (± 5% HR) y la concentración de oxígeno. Por ejemplo, mientras prueban muestras de acero inoxidable 316L en un entorno de pulverización de sal, se requiere replicar las condiciones del océano para evaluar el rendimiento de la resistencia a la fatiga de corrosión.
Recopilación y análisis de datos: Usando métodos estadísticos para hacer curvas S - n para encontrar el límite de fatiga de las condiciones del material, puede monitorear los tiempos del ciclo, la respuesta al estrés y el tiempo de fractura en tiempo real. Un fabricante de dispositivos médicos ha probado su articulación artificial de aleación de cromo de cromo de cromo impresa en 3D 10 veces y descubrió que su resistencia a la fatiga es más del 95% de la de las piezas forjadas.
2. Caracterización de defectos: descubrir qué causó la falla
Los defectos internos tienen un gran efecto sobre cuánto tiempo pueden durar los artículos impresos en 3D de metal. Los estudios han demostrado que las dimensiones, la ubicación y la alineación de fallas no fusionadas, poros y partículas no fundidas son determinantes críticos en el inicio de las grietas de fatiga. Por ejemplo, los poros en aleación de Ti6al4v que tienen más de 50 μm de ancho pueden reducir la vida útil de la fatiga en más del 60%. Por lo tanto, necesitamos usar enfoques de detección de escala multi - para describir completamente los defectos:
Pruebas que no dañan el objeto: x - La tomografía computarizada de rayos (CT) se usa para medir la cantidad de porosidad y la distribución de fallas. Las pruebas ultrasónicas también se utilizan para encontrar problemas en la unión entre capas. Un proveedor de componentes de aviación específico descubrió a través del escaneo de tomografía computarizada que refinar el enfoque de escaneo puede disminuir la porosidad del 0.8% al 0.2%.
Análisis de metales: observe el cambio de microestructura y vea cómo el tratamiento térmico afecta el tamaño de los granos y la composición de las fases. Por ejemplo, la presión isostática (cadera) caliente puede hacer que los granos de fase alfa de la aleación TI6Al4V sean más pequeñas de 5 μm, lo que aumenta en gran medida la resistencia de la fatiga.
Medición del estrés residual: use el método del agujero pequeño láser o el método de difracción de rayos x -} para encontrar estrés residual en la superficie y vea cómo afecta la velocidad a la que se propagan las grietas. Cierto fabricante de automóviles usó el peening de disparo para agregar -400MPA de tensión de compresión residual, lo que hizo que las llantas de aleación de aluminio duren tres veces más.
3, Optimización de procesos: gestión de riesgos en la fuente
La configuración del proceso de impresión tiene un efecto directo en las características de la microestructura y el defecto de las piezas. La vida de la fatiga puede mejorarse enormemente mediante la configuración de ajuste fina - y publicar - procesamiento:
Control de la densidad de energía: para minimizar las fallas de salpicaduras causadas por muy poca o demasiada energía, debe ajustar la potencia del láser, la velocidad de escaneo y el grosor de la capa. Por ejemplo, una compañía usó el diseño experimental del DOE para encontrar que la mejor densidad de energía para la impresión SLM 316L de acero inoxidable es 80J/mm ³, lo que lo hace un 25% más fuerte contra la fatiga.
Optimización de la dirección de construcción: hacer que la anisotropía tenga menos efecto sobre el rendimiento de la fatiga. Por ejemplo, la vida de fatiga de las muestras de tracción que son perpendiculares a la capa de impresión es 40% menor que la de las muestras que son paralelas a ella. Esto se puede mejorar enormemente cambiando el ángulo en el que se colocan las piezas.
Tecnología para post - procesamiento:
La presión isostática caliente (cadera) elimina los poros internos y aumenta la resistencia de fatiga de la aleación de Ti6al4v de 450MPA a 620MPA.
Tratamiento de la superficie: para hacer que la superficie sea más suave, se utiliza el pulido de vibración o el pulido electroquímico. El peening de disparos se usa para agregar estrés por compresión residual. Por ejemplo, la vida útil de la fatiga de una cuchilla específica del motor de aviones es 1.2 veces que la de un elemento forjado después de una combinación de peinación de disparos y pulido de vibración.
4. Twin digital: predicción y verificación de circuito cerrado
El principal proyecto del Departamento de Defensa de los Estados Unidos ha utilizado múltiples - fusión del sensor y tecnologías gemelas digitales para crear un sistema de bucle -} cerrado para monitorear el proceso de impresión y predecir su longevidad.
Real - Monitoreo del tiempo de la temperatura de la piscina de fusión, la acumulación de calor y el desarrollo de defectos utilizando una combinación de sensores ópticos, infrarrojos y acústicos. El sensor acústico de la compañía Addiguru, por ejemplo, puede recoger cambios minuciosos en las ondas de sonido dentro de los metales y encontrar poros que tienen 20 μm o más de diámetro.
Modelado de un gemelo digital: haga copias virtuales de cada parte, realice un seguimiento de los defectos y pruebe cómo funcionan bajo diferentes presiones. El software Genoa de Alphastar utiliza simulación de microestructura y mecánica de fractura para adivinar cómo las partes largas durarán menos de 10 ciclos, con una tasa de error de menos del 10%.
Pruebas en el laboratorio: use pruebas de fatiga para asegurarse de que el modelo sea correcto. La Universidad de Auburn probó muestras TI6AL4V impresas en 3D 10 veces y descubrió que la vida útil anticipada del modelo gemelo digital coincidía con el valor real en un 92%.
5. Práctica de la industria: aprender de casos pasados
GE Aviation utiliza tecnología SLM para imprimir boquillas de combustible de motor Leap en la industria aeroespacial. Estas boquillas duran el doble que las piezas falsificadas tradicionales y han volado durante más de 10 millones de horas sin fallar.
En el campo de la medicina, Johnson y Johnson imprimieron tazas de articulación de la cadera de aleación de cromo de cromo de Cobalt que pasaron 10 ciclos en pruebas de fatiga que imitaron un entorno humano. Esto es mucho mejor que el estándar de la industria de 5 × 10 ciclos.
En la industria del automóvil, BMW Group emplea chaquetas de agua de aleación de aluminio impresas en 3D que son un 40% más ligeras gracias a la optimización de la topología. También usan el tratamiento térmico T6 para que duren más de 2000 horas, lo cual es perfecto para motores que funcionan en condiciones muy duras.