كيفية تقييم حياة التعب من الأجزاء المعدنية ثلاثية الأبعاد المطبوعة؟

1. الاختبار الموحد: إعداد معايير للتقييم
تحدد المنظمة الدولية للتوحيد (ISO) والجمعية الأمريكية للتقييم والمواد (ASTM) القواعد الأساسية لتقييم عمر التعب من العناصر المطبوعة ثلاثية الأبعاد المعدنية. معيار ASTM E466-21 هو واحد من هذه. إنه يقوم بتوحيد الشكل والحجم وطريقة التحميل ومنهجية جمع البيانات لعينات الاختبار حتى يتمكن العلماء من اختبار عمر التعب المحوري لسبائك المعادن. هذا المعيار يقول:
الحصول على العينة جاهزة: يتم استخدام إجراءات ذوبان الانصهار الانتقائي (SLM) أو إلكترون (EBM) لطباعة قضبان أسطواني قياسية أو عينات شعاع منحني للتأكد من أن الأبعاد صحيحة. على سبيل المثال ، غيرت شركة محرك الطيران إعدادات الطباعة بحيث انتقلت خشونة سطح TI6Al4V من RA 12 μ M إلى RA 3.2 μ م. هذا خفض إلى حد كبير فرصة تركيز الإجهاد.
الرقابة البيئية: للحفاظ على التأثيرات البيئية من التأثير على سلوك التعب ، تراقب عن كثب درجة حرارة بيئة الاختبار (± 2 درجة) ، والرطوبة (± 5 ٪ RH) ، وتركيز الأكسجين. على سبيل المثال ، أثناء اختبار عينات 316L من الفولاذ المقاوم للصدأ في بيئة رش الملح ، يجب تكرار ظروف المحيط لتقييم أداء مقاومة التعب التآكل.
جمع البيانات وتحليلها: باستخدام الطرق الإحصائية لجعل منحنيات S - n للعثور على حد التعب لظروف المواد ، يمكنك مراقبة أوقات الدورة ، واستجابة الإجهاد ، ووقت الكسر في الوقت الفعلي. اختبرت الشركة المصنعة للأجهزة الطبية مفصل الاصطناعي المطبوع ثلاثية الأبعاد لسبائك الكوبالت المطبوعة 10 مرات ووجدت أن قوتها التعب أكثر من 95 ٪ من الأجزاء المزورة.
2. توصيف العيوب: معرفة سبب الفشل
العيوب الداخلية لها تأثير كبير على المدة التي يمكن أن تستمر فيها العناصر المطبوعة ثلاثية الأبعاد المعدنية. لقد أظهرت الدراسات أن الأبعاد والموقع ومواءمة العيوب غير المستخدمة والمسامات والجزيئات غير المرتبطة هي محددات حرجة في بداية تشققات التعب. على سبيل المثال ، يمكن للمسامات في سبيكة Ti6Al4V التي تزيد عن 50 ميكرولتر تقليص عمر التعب بأكثر من 60 ٪. لذلك ، نحن بحاجة إلى استخدام مقاربات الكشف عن المقياس المتعدد- لوصف العيوب تمامًا:
الاختبار الذي لا يضر الكائن: X - يتم استخدام التصوير المقطعي المحوسب (CT) لقياس كمية المسامية وتوزيع الأعطال. يتم استخدام الاختبار بالموجات فوق الصوتية أيضًا لإيجاد مشاكل في الترابط بين الطبقات. مورد مكون من مكونات الطيران المحدد الذي تم اكتشافه عن طريق المسح المقطعية بأن تحسين نهج المسح يمكن أن يقلل من المسامية من 0.8 ٪ إلى 0.2 ٪.
تحليل المعادن: شاهد تغيير البنية المجهرية وشاهد كيف يؤثر المعالجة الحرارية على حجم الحبوب وتكوين المراحل. على سبيل المثال ، يمكن للضغط المتساوي الساخن (HIP) أن يجعل حبيبات طور ألفا لسبائك Ti6Al4V أصغر من 5 ميكرون ، مما يزيد بشكل كبير من مقاومة التعب.
قياس الإجهاد المتبقي: استخدم طريقة الثقب الصغيرة بالليزر أو طريقة حيود الأشعة X- للعثور على الإجهاد المتبقي على السطح ومعرفة كيف يؤثر ذلك على معدل انتشار الشقوق. استخدم صانع سيارات معين Peening لقطة لإضافة -400 ميجا باسكال من الإجهاد الضغط المتبقي ، مما جعل عجلات من سبائك الألومنيوم تدوم ثلاث مرات أطول.
3 ، تحسين العملية: إدارة المخاطر في المصدر
إن إعدادات عملية الطباعة لها تأثير مباشر على خصائص البنية المجهرية والعيوب. يمكن تعزيز حياة التعب إلى حد كبير من خلال إعدادات ضبط- و Post - معالجة:
التحكم في كثافة الطاقة: لتقليل أخطاء الرش التي تسببها القليل من الطاقة أو الكثير من الطاقة ، يجب عليك ضبط طاقة الليزر وسرعة المسح وسمك الطبقة. على سبيل المثال ، استخدمت شركة Doe Designal Design لتجد أن أفضل كثافة طاقة للطباعة SLM 316L من الفولاذ المقاوم للصدأ هي 80J/مم ³ ، مما يجعلها أقوى بنسبة 25 ٪ ضد التعب.
تحسين اتجاه البناء: جعل التباين أقل تأثير على أداء التعب. على سبيل المثال ، فإن عمر التعب لعينات الشد العمودية على طبقة الطباعة أقل بنسبة 40 ٪ من العينات المتوازية لها. يمكن تحسين ذلك إلى حد كبير عن طريق تغيير الزاوية التي توضع بها الأجزاء.
تقنية Post - المعالجة:
يتخلص الضغط الساخن المتساوي (الورك) من المسام الداخلية ويثير قوة التعب لسبائك Ti6Al4V من 450MPa إلى 620 ميجا باسكال.
علاج السطح: لجعل السطح أكثر سلاسة ، يتم استخدام تلميع الاهتزاز أو التلميع الكهروكيميائي. ثم يتم استخدام peening اللقطة لإضافة إجهاد الضغط المتبقي. على سبيل المثال ، يبلغ عمر الإرهاق لشفرة محرك طائرة معينة 1.2 مرة من عنصر مزور بعد مزيج من تلميع اللقطة وتلميع الاهتزاز.
4. التوأم الرقمي: التنبؤ والتحقق من حلقة مغلقة
استخدم مشروع Prime التابع لوزارة الدفاع الأمريكية multi - اندماج المستشعر والتقنيات التوأم الرقمية لإنشاء نظام حلقة مغلق- لمراقبة عملية الطباعة والتنبؤ بطول العمر.
Real - مراقبة الوقت لدرجة حرارة تجمع الذوبان ، تراكم الحرارة ، وتطوير العيوب باستخدام مجموعة من أجهزة الاستشعار البصرية والأشعة تحت الحمراء والصوتية. على سبيل المثال ، يمكن لمستشعر Addiguru Company Acoustic Company التقاط تغييرات دقيقة في الموجات الصوتية داخل المعادن وإيجاد المسام التي يبلغ قطرها 20 م أو أكبر.
نمذجة التوأم الرقمي: قم بعمل نسخ افتراضية لكل جزء ، وتتبع العيوب ، واختبار كيفية عملها تحت ضغوط مختلفة. يستخدم برنامج Genoa من Alphastar محاكاة البنية المجهرية وميكانيكا الكسر لتخمين المدة التي ستستمر فيها الأجزاء أقل من 10 ⁷ دورات ، مع معدل خطأ أقل من 10 ٪.
الاختبار في المختبر: استخدم اختبار التعب للتأكد من أن النموذج صحيح. اختبرت جامعة أوبورن عينات TI6AL4V المطبوعة ثلاثية الأبعاد 10 مرات ووجدت أن عمر النموذج التوأم الرقمي المتوقع يتطابق مع القيمة الفعلية بنسبة 92 ٪.
5. ممارسة الصناعة: التعلم من الحالات السابقة
تستخدم GE Aviation تقنية SLM لطباعة فوهات وقود محرك Leap في صناعة الطيران. تدوم هذه الفوهات مرتين طالما الأجزاء المزورة التقليدية وقد طارت لأكثر من 10 ملايين ساعة دون فشل.
في المجال الطبي ، طبعت جونسون آند جونسون ثلاثية الأبعاد أكواب مفصل ورك الكوبالت كروم التي مرت 10 دورات في اختبار التعب التي تحاكي البيئة البشرية. هذا أفضل بكثير من مستوى الصناعة من 5 × 10 دورات.
في صناعة السيارات ، توظف BMW Group سترات مياه من ألواح الألومنيوم المطبوعة ثلاثية الأبعاد والتي تصل إلى 40 ٪ أخف وزناً بفضل تحسين الطوبولوجيا. كما أنهم يستخدمون المعالجة الحرارية T6 لجعلها تستمر أكثر من 2000 ساعة ، وهو مثالي للمحركات التي تعمل في ظروف قاسية للغاية.