Исследователи Fraunhofer Institute for Mechanics of Materials IWM разработали расчётную методику, которая позволяет заранее оценить, как механическая обработка поверхности повлияет на усталостную прочность металлических деталей, изготовленных аддитивными методами. В модельных испытаниях удалось повысить усталостную прочность до 40%.
Для металлических 3D-печатных деталей усталостная прочность остаётся одним из факторов, ограничивающих применение в ответственных конструкциях. Шероховатость поверхности, растягивающие остаточные напряжения, газовая пористость и дефекты типа lack of fusion могут становиться местами зарождения трещин и приводить к преждевременному разрушению детали. Особенно критично это для аэрокосмической отрасли, автомобилестроения и энергетики.
Постобработку можно выбирать ещё до испытаний детали
Повысить ресурс напечатанного компонента позволяют механические методы обработки поверхности — например, дробеструйная обработка, глубокое накатывание и сглаживание. Они могут уменьшать влияние поверхностных дефектов, упрочнять поверхностный слой и создавать благоприятные сжимающие остаточные напряжения.
Проблема заключается в том, что для AM-деталей до сих пор не хватало практической инженерной модели, позволяющей связать параметры такой обработки с реальным увеличением срока службы компонента.
Fraunhofer IWM предложил объединить этот процесс в единую расчётную цепочку.
Она включает три основных этапа.
Первый — оценка детали и выбор метода обработки. С учётом геометрии компонента и расположения наиболее нагруженных зон определяется подходящий способ постобработки.
Второй — моделирование процесса. Рассчитывается, как параметры обработки влияют на остаточные напряжения, шероховатость и упрочнение поверхностного слоя. В модели можно изменять, например, давление при дробеструйной обработке, усилие прижима или степень перекрытия траекторий.
Третий — прогнозирование усталостного ресурса. Для этого исследователи адаптировали расчёт по рекомендациям FKM к аддитивно изготовленным и прошедшим постобработку материалам. Такой подход должен позволить интегрировать оценку ресурса в существующие инженерные процессы разработки.
Метод проверили на трёх металлических материалах
Расчётную цепочку валидировали на образцах из алюминиевого сплава AlSi10Mg, нержавеющей стали 316L и титанового сплава Ti6Al4V.
Детали изготавливали с использованием Laser Powder Bed Fusion (LPBF) и Cold Metal Fusion (CMF). Расчётные результаты дополнительно проверяли экспериментально как на отдельных образцах, так и на уровне компонентов.
По данным Fraunhofer IWM, применение оптимизированной постобработки позволило получить до 40% прироста усталостной прочности и существенно увеличить срок службы деталей.
Зачем это нужно промышленной 3D-печати
Одно из преимуществ подхода состоит в возможности сравнивать разные стратегии постобработки ещё на этапе разработки — до изготовления и длительных физических испытаний детали.
Это особенно важно для металлической 3D-печати, где свойства поверхности и локальные дефекты могут заметно влиять на усталостное поведение компонента. Расчётная оптимизация постобработки потенциально позволяет частично компенсировать разброс характеристик, возникающий непосредственно в процессе печати.
Кроме того, разработчики считают, что методику можно адаптировать к другим материалам на основании базовых механических характеристик, включая предел текучести и предел прочности.
Работа выполнена в рамках финансируемого Федеральным министерством экономики и энергетики Германии проекта AM Oberfläche, посвящённого механической постобработке металлических аддитивных компонентов для повышения их усталостной прочности.
Источник: Fraunhofer IWM.