研究小組使用中子檢測3D打印零件中的內部應力

魔猴君  行業資訊   1542天前

慕尼黑工業大學（TUM）的研究小組開發了一種無損方法，可使用中子檢測3D打印零件中的內部應力。研究人員在能源技術公司Siemens Energy的3D打印格子結構上測試了他們的方法，該公司的3D打印燃氣輪機葉片中使用了這種方法。“具有這種復雜結構的復雜組件將無法使用傳統的制造方法（如鑄造或銑削）來制造，”德國聯邦材料研究與測試學院（BAM）的Tobias Fritsch博士說。 “我們想看看我們是否可以使用中子來檢測這個復雜組件中的內部應力。”

殘余應力衍射儀STRESS-SPEC上測量位置的晶格結構。圖片來自Tobias Fritsch / BAM。

3D打印零件的無損檢測

西門子能源公司使用鎳鉻合金印刷了幾毫米大小的晶格結構，并有意省去了印刷后的常規熱處理。晶格是通過激光粉末床融合（LPBF）制造的，從而使結構具有復雜的幾何形狀。但是，在打印過程中，激光的局部熱輸入和熔池的快速冷卻會導致材料中殘留應力。盡管可以花費時間并因此花費金錢，但是可以通過熱處理過程來消除這種壓力。但是，在此之前，殘余應力還會在生產過程中損壞組件，從而導致裂紋或變形。

評估材料的結構完整性主要是通過破壞性或半破壞性的方式進行的，這對于零件的批量生產而言并不理想。取而代之的是，中子衍射可以無損檢測散裝材料中的殘余應力，為了使用這種方法測試燃氣輪機部件的內部應力，Fritsch用來自研究中子源Hein Maier-Leibnitz（FRM II）的中子轟擊了該零件，并使用了STRESS-SPEC中子衍射儀。然后使用Python腳本計算主應力方向，同時從九個應變測量值中提取六個獨立的應力分量。這些測量表明晶格結構的支柱和結的主應力方向。

殘余應力衍射儀STRESS-SPEC上測量位置的晶格結構。圖片來自Tobias Fritsch / BAM。

檢測內部應力

通過他們的實驗，該團隊演示了使用中子衍射確定晶格結構中殘余應力的可靠程序。但是，一旦他們檢測到壓力，下一步就是找到減輕壓力的方法。Fritsch說：“我們知道我們必須修改生產過程參數，從而改變打印過程中組件的構建方式。在熔化過程中，熱量施加的局部性越強，產生的內部應力就越大。因此，我們必須在打印過程中盡可能均勻地分配熱量。”展望未來，該團隊將研究具有新組件和修改后的印刷參數的過程，并已與西門子合作，計劃利用Garching的TUM中子源進行新的測量。

Tobias Fritsch博士使用遙控器在研究中子源的殘余應力衍射儀STRESS-SPEC中將晶格結構置于正確的測量位置。攝影：Michael Hofmann / FRM II / TUM。

AM內的非破壞性測試

盡管對3D打印零件進行破壞性測試仍然是檢測應力和弱點的最常見方法，但還有其他一些開發無損檢測過程的方法。例如，美國國家標準技術研究院（NIST）的科學家們開發了一種使用先進的探針和計算機算法精確測量SLA 3D打印過程中聚合物硬化速率的方法。將機器學習與CT掃描相結合是另一種非破壞性技術，紐約大學Tandon工程學院的研究人員已應用該技術來揭示3D打印復合材料背后的漏洞。

在其他地方，新加坡國家增材制造創新集群（NAMIC）與新加坡國家計量中心合作，為通過粉末床熔合和粘結劑噴射制造的零件的無損檢測開發標準指南。 該研究項目是由標準開發者ASTM International資助的旨在鼓勵3D打印內部標準化的八項舉措之一。

來源：https://www.3ddayin.net/xinwenpindao/guowaikuaidi/40283.html