Làm thế nào để đánh giá tuổi thọ mỏi của các bộ phận in 3D kim loại?

1. Kiểm tra tiêu chuẩn: Thiết lập điểm chuẩn để đánh giá
Tổ chức Tiêu chuẩn hóa Quốc tế (ISO) và Hiệp hội Đánh giá và Tài liệu Hoa Kỳ (ASTM) đặt ra các quy tắc cơ bản để đánh giá tuổi thọ mỏi của các mặt hàng in 3D kim loại. Tiêu chuẩn ASTM E466-21 là một trong số này. Nó tiêu chuẩn hóa hình dạng, kích thước, phương pháp tải và phương pháp thu thập dữ liệu của các mẫu thử nghiệm để các nhà khoa học có thể kiểm tra tuổi thọ mỏi trục của các hợp kim kim loại. Tiêu chuẩn này nói:
Chuẩn bị sẵn sàng mẫu: Các quy trình nóng chảy chọn lọc chọn lọc laser (SLM) hoặc các quy trình nóng chảy chùm electron (EBM) được sử dụng để in các thanh trụ tiêu chuẩn hoặc mẫu vật cong để đảm bảo rằng kích thước là chính xác. Ví dụ, một công ty động cơ hàng không đã thay đổi các cài đặt in để độ nhám bề mặt của các mẫu Ti6AL4V chuyển từ RA 12 μ m đến RA 3,2 m. Điều này làm giảm đáng kể cơ hội tập trung căng thẳng.
Kiểm soát môi trường: Để giữ cho các ảnh hưởng môi trường không ảnh hưởng đến hành vi mệt mỏi, hãy theo dõi chặt chẽ nhiệt độ của môi trường thử nghiệm (± 2 độ), độ ẩm (± 5% rh) và nồng độ oxy. Ví dụ, trong khi thử nghiệm các mẫu thép không gỉ 316L trong môi trường phun muối, cần phải tái tạo các điều kiện đại dương để đánh giá hiệu suất kháng mỏi ăn mòn.
Thu thập và phân tích dữ liệu: Sử dụng các phương pháp thống kê để tạo ra các đường cong - Một nhà sản xuất thiết bị y tế đã thử nghiệm khớp nhân tạo hợp kim coban in 3D 3D của mình 10 lần và thấy rằng sức mạnh mỏi của nó là hơn 95% so với các bộ phận giả mạo.
2. Đặc điểm của các khiếm khuyết: Tìm hiểu điều gì đã gây ra sự thất bại
Lỗ hổng nội bộ có ảnh hưởng lớn đến việc các mặt hàng in 3D kim loại có thể kéo dài bao lâu. Các nghiên cứu đã chứng minh rằng các kích thước, vị trí và sự liên kết của các lỗ hổng, lỗ chân lông và các hạt không bị ảnh hưởng là các yếu tố quyết định quan trọng trong sự khởi đầu của các vết nứt mệt mỏi. Ví dụ, lỗ chân lông trong hợp kim TI6AL4V rộng hơn 50 μ m có thể cắt giảm tuổi thọ mỏi hơn 60%. Vì vậy, chúng ta cần sử dụng nhiều - phương pháp phát hiện tỷ lệ để mô tả đầy đủ các lỗi:
Kiểm tra không làm hỏng đối tượng: x - Chụp cắt lớp tính toán tia (CT) được sử dụng để đo lượng độ xốp và phân phối các lỗi. Thử nghiệm siêu âm cũng được sử dụng để tìm ra vấn đề trong liên kết giữa các lớp. Một nhà cung cấp thành phần hàng không cụ thể được phát hiện thông qua quét CT rằng việc tinh chỉnh phương pháp quét có thể làm giảm độ xốp từ 0,8% xuống 0,2%.
Phân tích kim loại: Xem sự thay đổi cấu trúc vi mô và xem cách xử lý nhiệt ảnh hưởng đến kích thước của các hạt và thành phần của các pha. Ví dụ, việc ép đẳng hướng nóng (hông) có thể tạo ra các hạt pha alpha của hợp kim Ti6AL4V nhỏ hơn 5 μm, làm tăng đáng kể khả năng chống mệt mỏi.
Đo lường ứng suất dư: Sử dụng phương pháp lỗ nhỏ laser hoặc phương pháp nhiễu xạ tia X - để tìm ứng suất dư trên bề mặt và xem nó ảnh hưởng đến tốc độ các vết nứt lan rộng như thế nào. Một nhà sản xuất xe hơi đã sử dụng peening bắn để thêm -400MPa ứng suất nén còn lại, khiến bánh xe hợp kim nhôm kéo dài hơn ba lần.
3, Tối ưu hóa quy trình: Quản lý các mối nguy tại nguồn
Các cài đặt của quá trình in có ảnh hưởng trực tiếp đến các đặc điểm cấu trúc và khuyết tật của các bộ phận. Cuộc sống mệt mỏi có thể được tăng cường đáng kể bằng cách xử lý tốt -}.
Kiểm soát mật độ năng lượng: Để giảm thiểu các lỗi bắn tung do quá ít hoặc quá nhiều năng lượng, bạn nên điều chỉnh công suất laser, tốc độ quét và độ dày lớp. Ví dụ, một công ty đã sử dụng thiết kế thử nghiệm DOE để thấy rằng mật độ năng lượng tốt nhất cho SLM in thép không gỉ 316L là 80J/mm, giúp mạnh hơn 25% so với mệt mỏi.
Tối ưu hóa hướng xây dựng: Làm cho dị hướng có ít ảnh hưởng đến hiệu suất mệt mỏi. Ví dụ, tuổi thọ mỏi của các mẫu vật kéo vuông góc với lớp in có ít hơn 40% so với mẫu vật song song với nó. Điều này có thể được cải thiện rất nhiều bằng cách thay đổi góc mà các bộ phận được đặt.
Công nghệ cho bài đăng - Xử lý:
Nóng isostatic "HIP) thoát khỏi lỗ chân lông bên trong và tăng cường độ mệt mỏi của hợp kim Ti6AL4V từ 450MPa lên 620MPa.
Xử lý bề mặt: Để làm cho bề mặt mịn hơn, đánh bóng rung hoặc đánh bóng điện hóa được sử dụng. PEENE SHOT sau đó được sử dụng để thêm ứng suất nén còn lại. Ví dụ, tuổi thọ mỏi của một lưỡi dao máy bay cụ thể là 1,2 lần so với một vật phẩm giả mạo sau khi kết hợp đánh bóng bắn và rung.
4. Digital Twin: Dự đoán và kiểm tra vòng kín
Dự án chính của Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ đã sử dụng Multi - Fusion Fusion và Digital Twin Technologies để tạo ra một hệ thống vòng lặp- đã đóng để giám sát quá trình in và dự đoán tuổi thọ của nó.
Real - Giám sát thời gian của nhiệt độ nhóm tan chảy, tích lũy nhiệt và phát triển khiếm khuyết bằng cách sử dụng kết hợp các cảm biến quang học, hồng ngoại và âm thanh. Chẳng hạn, cảm biến âm thanh của công ty Addiguru có thể chọn các thay đổi phút trong sóng âm trong kim loại và tìm các lỗ chân lông có đường kính 20 μ m hoặc lớn hơn.
Mô hình hóa sinh đôi kỹ thuật số: Tạo các bản sao ảo của mỗi phần, theo dõi các lỗi và kiểm tra cách chúng hoạt động dưới các áp lực khác nhau. Phần mềm GenOA của Alphastar sử dụng mô phỏng cấu trúc và cơ học gãy cấu trúc để đoán các bộ phận sẽ tồn tại trong bao lâu dưới 10 chu kỳ, với tỷ lệ lỗi dưới 10%.
Kiểm tra trong phòng thí nghiệm: Sử dụng thử nghiệm mỏi để đảm bảo mô hình là chính xác. Đại học Auburn đã thử nghiệm các mẫu Ti6AL4V in 3D 10 lần và thấy rằng tuổi thọ dự kiến ​​của mô hình sinh đôi kỹ thuật số phù hợp với giá trị thực tế 92%.
5. Thực hành ngành: Học từ các trường hợp trong quá khứ
GE Hàng không sử dụng công nghệ SLM để in các vòi phun nhiên liệu động cơ Leap trong ngành hàng không vũ trụ. Những vòi phun này kéo dài gấp đôi so với các bộ phận giả mạo truyền thống và đã bay trong hơn 10 triệu giờ mà không thất bại.
Trong lĩnh vực y tế, Johnson & Johnson 3D in Cobalt Chromium Hợp kim Hip Hip Cup đã vượt qua 10 chu kỳ trong thử nghiệm mệt mỏi bắt chước môi trường của con người. Điều này tốt hơn nhiều so với tiêu chuẩn công nghiệp là 5 × 10 chu kỳ.
Trong ngành công nghiệp ô tô, BMW Group sử dụng áo khoác nước hợp kim nhôm in 3D nhẹ hơn 40% nhờ tối ưu hóa cấu trúc liên kết. Họ cũng sử dụng điều trị nhiệt T6 để làm cho chúng kéo dài hơn 2000 giờ, điều này hoàn hảo cho các động cơ chạy trong điều kiện rất khắc nghiệt.