Comment évaluer la durée de vie de la fatigue des pièces imprimées en métal 3D?

1. Test standardisé: Configuration des repères pour l'évaluation
L'Organisation internationale pour la normalisation (ISO) et l'American Society for Assessing and Materials (ASTM) ont établi les règles de base pour évaluer la vie en fatigue des articles imprimés en métal 3D. La norme ASTM E466-21 en fait partie. Il standardise la forme, la taille, la méthode de chargement et la méthodologie de collecte de données des échantillons de test afin que les scientifiques puissent tester la durée de vie de la fatigue axiale des alliages métalliques. Cette norme dit:
Préparer l'échantillon: les procédures de fusion sélective au laser (SLM) ou de fusion de faisceau d'électrons (EBM) sont utilisées pour imprimer des tiges cylindriques standard ou des échantillons de faisceau incurvé pour s'assurer que les dimensions sont correctes. Par exemple, une entreprise de moteur d'aviation a changé les paramètres d'impression de sorte que la rugosité de surface des échantillons Ti6Al4V est passée de RA 12 μm à RA 3,2 μm. Cela a considérablement réduit les chances de concentration de stress.
Contrôle environnemental: Pour garder les influences environnementales en affectant le comportement de fatigue, surveillez de près la température de l'environnement de test (± 2 degrés), l'humidité (± 5% RH) et la concentration en oxygène. Par exemple, tout en testant des échantillons en acier inoxydable 316L dans un environnement de pulvérisation saline, il est nécessaire de reproduire les conditions de l'océan pour évaluer les performances de résistance à la fatigue de la corrosion.
Collecte et analyse des données: en utilisant des méthodes statistiques pour fabriquer des courbes S - n pour trouver la limite de fatigue des conditions du matériau, vous pouvez surveiller les temps de cycle, la réponse au stress et le temps de fracture en temps réel. Un fabricant de dispositifs médicaux a testé 10 fois son articulation artificielle en alliage en alliage de chrome de cobalt imprimé en 3D 10 fois et a constaté que sa résistance à la fatigue représente plus de 95% de celle des pièces forgées.
2. Caractérisation des défauts: découvrir ce qui a causé l'échec
Les défauts internes ont un grand effet sur la durée des articles imprimés en métal 3D. Des études ont démontré que les dimensions, l'emplacement et l'alignement des défauts non fusionnés, des pores et des particules non soumis sont des déterminants critiques dans l'apparition des fissures de fatigue. Par exemple, les pores de l'alliage Ti6al4v qui mesurent plus de 50 μm de large peuvent réduire la durée de vie de la fatigue de plus de 60%. Nous devons donc utiliser des approches de détection d'échelle multi - pour décrire pleinement les défauts:
Test qui n'endommage pas l'objet: x - Tomographie par rayon de rayons (CT) est utilisé pour mesurer la quantité de porosité et la distribution des défauts. Des tests à ultrasons sont également utilisés pour trouver des problèmes dans la liaison entre les couches. Un fournisseur de composants d'aviation spécifique a découvert via la tomodensitométrie que le raffinage de l'approche de balayage peut diminuer la porosité de 0,8% à 0,2%.
Analyse des métaux: Regardez la microstructure changer et voyez comment le traitement thermique affecte la taille des grains et la composition des phases. Par exemple, la pressage isostatique chaud (HIP) peut rendre les grains de phase alpha de l'alliage Ti6Al4V inférieur à 5 μm, ce qui augmente considérablement la résistance à la fatigue.
Mesure de la contrainte résiduelle: utilisez la méthode du petit trou laser ou la méthode de diffraction des rayons x - pour trouver une contrainte résiduelle à la surface et voir comment elle affecte la vitesse à laquelle les fissures se propagent. Un certain constructeur automobile a utilisé un coup de feu pour ajouter -400 MPa de contrainte de compression résiduelle, ce qui a fait que les roues en alliage en aluminium durent trois fois plus longues.
3, Optimisation du processus: gérer les dangers à la source
Les paramètres du processus d'impression ont un effet direct sur les caractéristiques de la microstructure et des défauts des pièces. La durée de vie de la fatigue peut être considérablement améliorée par les paramètres de réglage fine - et le traitement du post -:
Contrôle de la densité d'énergie: Pour minimiser les défauts d'éclaboussures causés par trop peu ou trop d'énergie, vous devez ajuster la puissance du laser, la vitesse de balayage et l'épaisseur de la couche. Par exemple, une entreprise a utilisé la conception expérimentale du DOE pour constater que la meilleure densité d'énergie pour l'imprimerie SLM 316L en acier inoxydable est de 80J / mm ³, ce qui le rend 25% plus fort contre la fatigue.
Optimisation de la direction de la construction: faire de l'anisotropie a moins d'effet sur les performances de la fatigue. Par exemple, la durée de vie de la fatigue des échantillons de traction qui sont perpendiculaires à la couche d'impression est de 40% inférieure à celle des spécimens parallèles à celle-ci. Cela peut être considérablement amélioré en modifiant l'angle auquel les pièces sont placées.
Technologie pour le traitement post -:
Le pressage isostatique chaud (hanche) se débarrasser des pores internes et augmente la force de fatigue de l'alliage Ti6Al4V de 450MPA à 620MPA.
Traitement de la surface: Pour rendre la surface plus lisse, le polissage des vibrations ou le polissage électrochimique est utilisé. Un coup d'œil est ensuite utilisé pour ajouter une contrainte de compression résiduelle. Par exemple, la durée de vie de la fatigue d'une lame de moteur d'aéronef spécifique est 1,2 fois celle d'un élément forgé après une combinaison de coup de feu et de polissage des vibrations.
4. Twin numérique: prédire et vérification de la boucle fermée
Le projet principal du ministère américain de la Défense a utilisé des technologies de fusion de capteurs et de jumeaux numériques multi - pour créer un système de boucle- fermé pour surveiller le processus d'impression et prédire sa longévité.
Vrai - Surveillance du temps de la température du pool de fonte, de l'accumulation de chaleur et du développement des défauts à l'aide d'une combinaison de capteurs optiques, infrarouges et acoustiques. Le capteur acoustique de la société Addiguru, par exemple, peut reprendre les changements infimes dans les ondes sonores à l'intérieur des métaux et trouver des pores de 20 μm ou plus de diamètre.
Modélisation d'un jumeau numérique: Faites des copies virtuelles de chaque partie, gardez une trace des défauts et testez comment ils fonctionnent sous diverses pressions. Le logiciel GenoA d'Alphastar utilise la simulation de microstructure et la mécanique de fracture pour deviner combien de temps durera moins de 10 cycles, avec un taux d'erreur inférieur à 10%.
Test en laboratoire: utilisez des tests de fatigue pour vous assurer que le modèle est correct. L'université d'Auburn a testé 10 fois les échantillons TI6AL4V imprimés en 3D et a constaté que la durée de vie prévue du modèle numérique était en correspondance de 92%.
5. Pratique de l'industrie: apprendre des cas passés
GE Aviation utilise la technologie SLM pour imprimer des buses de carburant de moteur Leap dans l'industrie aérospatiale. Ces buses durent deux fois plus longtemps que les pièces traditionnelles ont forgées et ont volé pendant plus de 10 millions d'heures sans échouer.
Dans le domaine médical, Johnson & Johnson 3D a imprimé des tasses d'articulations de hanche en alliage de chrome de cobalt qui passaient 10 cycles en test de fatigue qui imitait un environnement humain. C'est bien mieux que la norme de l'industrie de 5 × 10 cycles.
Dans l'industrie automobile, BMW Group utilise des vestes d'eau en alliage en aluminium imprimées en 3D qui sont 40% plus légères grâce à l'optimisation de la topologie. Ils utilisent également le traitement thermique T6 pour les faire durer plus de 2000 heures, ce qui est parfait pour les moteurs qui se déroulent dans des conditions très difficiles.