美國陸軍研究預(yù)測3D打印金屬零件失效時間，提前更換零件

2020年5月29日，南極熊從外媒獲悉，美國陸軍CCDC研究實(shí)驗(yàn)室（ARL）發(fā)現(xiàn)了一種預(yù)測3D打印零件性能的方法，并且可以了解到任何可能影響其性能的缺陷。

在一項(xiàng)新的研究中詳細(xì)介紹，ARL將通過傳感器測量來檢測和監(jiān)測3D打印的馬氏體鋼的磨損情況。這樣的測量可以幫助軍方預(yù)測零件何時會退化或失效，需要更換，從而使其保持戰(zhàn)備狀態(tài)。

美國陸軍CCDC陸軍研究實(shí)驗(yàn)室車輛技術(shù)局主任Jaret C. Riddick博士解釋說："3D打印的零件顯示出某些屬性，由于制造過程本身的原因，如果不加以檢查，可能會導(dǎo)致這些零件以傳統(tǒng)機(jī)械加工零件中沒有觀察到的方式退化。"

CCDC陸軍研究實(shí)驗(yàn)室用粉末打印金屬零件，圖片來源：Dave McNally/美國陸軍

對3D打印零件的實(shí)時監(jiān)控

這項(xiàng)研究近日發(fā)表在《International Journal of Advanced Manufacturing Technology》上，由來自美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所、美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所航空與導(dǎo)彈中心和約翰-霍普金斯大學(xué)的研究人員組成的研究小組領(lǐng)導(dǎo)。

它詳細(xì)介紹了使用激光粉末床熔融(LPBF)3D打印工藝生產(chǎn)的馬氏體鋼梁，實(shí)時疲勞行為評估實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證組的使用情況。馬氏體鋼是一種無碳鐵鎳合金，以具有優(yōu)異的強(qiáng)度和韌性而不失去延展性而聞名。

使用X射線計算機(jī)斷層掃描（CT）、納米壓痕和原子力顯微鏡對金屬零件進(jìn)行了評估。使用準(zhǔn)靜態(tài)測試過程來評估打印后的狀態(tài)。

確保3D打印零件的質(zhì)量和性能是大多數(shù)制造商的關(guān)鍵要求。例如，英國工程公司Renishaw開發(fā)了一個新的軟件和硬件包，通過聲學(xué)測量來提高LPBF構(gòu)建的質(zhì)量。Sigma Labs公司還提供了其PrintRite3D的過程中質(zhì)量保證（IPQA）軟件包，用于金屬快速成型制造過程中的實(shí)時監(jiān)控。

Digital Twins被西門子等公司用于為其開發(fā)和機(jī)器過程提供完整的虛擬化，實(shí)現(xiàn)了對生產(chǎn)性能的實(shí)時監(jiān)控。

一個3D打印的金屬零件，照片由美國陸軍/David McNally提供

確保陸軍用3D打印技術(shù)為部署做好準(zhǔn)備

Riddick博士解釋說，ARL的研究可以確保在需要立即更換零件的環(huán)境中，將零件準(zhǔn)備就緒。而不要要等待很長時間再將需要更換零件從很遠(yuǎn)的地方寄送過來。

實(shí)驗(yàn)室的機(jī)械工程師Todd C. Henry博士是這項(xiàng)研究的共同作者，他表示："應(yīng)變或渦流傳感器會提供一個測量值，讓你知道該零件需要更換。" Henry博士還希望開發(fā)一種工具來測量每個3D打印零件的獨(dú)特性能，承認(rèn)每個3D打印零件都是通過傳感器測量的不同。

Henry博士補(bǔ)充道："如果我拿了一批回形針，開始來回彎曲它們，它們會根據(jù)與鋼材相關(guān)的內(nèi)部缺陷，以不同的時間間隔因疲勞損傷而斷裂，""每個現(xiàn)實(shí)世界中的材料和結(jié)構(gòu)都有不完善的地方，這些不完善的地方會使它的性能獨(dú)一無二，所以如果這批回形針需要21-30個循環(huán)才能斷裂，為了安全起見，我們今天要做的就是在15個循環(huán)之后把這批回形針扔掉。"

Henry博士繼續(xù)說，3D打印零件的不完美是由計算機(jī)模型和打印件之間的空隙和幾何差異造成的。在ARL開發(fā)的傳感器技術(shù)提供了一種方法來跟蹤單個零件，預(yù)測故障點(diǎn)，并在斷裂前幾個周期內(nèi)更換。

Henry說，陸軍研究人員正在將這些發(fā)現(xiàn)應(yīng)用到3D打印不銹鋼零件的新研究中，并使用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，而不是傳感器，來表征零件的壽命。

他說："3D打印技術(shù)在成本和時間上都有好處，也許無論如何都值得使用它。想象一下，你總是選擇最堅(jiān)固的材料，但有另一種材料更便宜，更容易得到，無論如何你需要證明這種材料是可以依賴的。"

Henry博士的論文 “In-Situ Fatigue Monitoring Investigation of Additively Manufactured Maraging Steel” 的共同作者是CCDCC陸軍研究實(shí)驗(yàn)室的Francis Phillips博士和Dan Cole博士；國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所的Ed Garboczi博士；作戰(zhàn)能力發(fā)展指揮部航空和導(dǎo)彈中心的Robert Haynes博士和約翰霍普金斯大學(xué)的Terrence Johnson博士。

編譯自： 3dprintingindustry