Una metodologia altamente accurata per la previsione e la correlazione delle proprietà meccaniche basata sul rapporto di snellenza dei campioni di prove di trazione fabbricati in aggiunta

Previsione delle proprietà meccaniche in base al rapporto di snellenza nei campioni stampati in 3D

Gli ingegneri statunitensi e brasiliani approfondiscono ulteriormente la complessità delle proprietà meccaniche nella stampa 3D, delineando le loro scoperte nel recente pubblicato ” Una metodologia altamente accurata per la previsione e la correlazione delle proprietà meccaniche basata sul rapporto di snellenza dei campioni di prove di trazione fabbricati in aggiunta . ‘

La stampa 3D e i processi di produzione additiva continuano a produrre impatti significativi in ​​una vasta gamma di settori in tutto il mondo; tuttavia, più gli utenti iniziano a fare affidamento su tale tecnologia e si espandono per quanto riguarda l’innovazione e i requisiti del progetto, maggiore attenzione viene posta sulle proprietà meccaniche, sia per quanto riguarda i polimeri a memoria di forma , i materiali compositi o gli effetti di dettagli come l’ orientamento alla costruzione . Gli autori sottolineano che settori come la medicina, l’aerospaziale, l’automotive e altri ancora sono strutturati con rigide normative, lasciando poco spazio agli errori nelle applicazioni critiche.

Poiché sono richiesti comitati e standard all’interno dei processi di AM, gli sforzi specifici sono ora orientati verso:

Classificazione di nuove linee guida
Creazione di formati di file per la produzione di parti
Sviluppo di criteri per relazioni tecniche
Requisiti generali per le materie prime
Vi sono ancora aree prive degli standard richiesti, tuttavia, come la caratterizzazione meccanica delle parti. I ricercatori si concentrano sulle nuove leghe popolari utilizzate come Ti-6Al-4, ora utilizzate in una varietà di metodi AM, per includere processi ibridi. Le prove di trazione possono essere utilizzate per valutare:

Resa di snervamento (YS)
Massima resistenza alla trazione (UTS)
Modulo elastico €
Allungamento uniforme (Elu)
Allungamento alla frattura (Elfo)
Modulo di resilienza (Ur)
Resistenza alla trazione (Ut)
Riduzione dell’area (RA)
Gli autori riportano che i campioni Ti – 6Al – 4V offrivano una varietà di valori di proprietà meccaniche, come segue.

PBF con raggio laser: valori YS compresi tra 684,3 e 1320,0 MPa, UTS da 480,5 a 1420,0 MPa e Elf dall’1,0 al 24,0%.
Campioni DED – proprietà di trazione di YS da 522,0 a 1105,0 MPa, UTS da 716,0 a 1163,0 MPa e Elf compresi tra 1,4 e 18,7%.
Processo WAAM: proprietà meccaniche da YS 800 a 884 MPa, UTS da 887 a 995 MPa e Elf dallo 0,5 al 16,5%.
Fusione di fascio di elettroni (EBM) – valori di YS, UTS ed Elf compresi tra 460 e 1150 MPa, 480-1200 MPa e 1,5-25,0%, rispettivamente.
“Uno dei parametri più importanti nella geometria del campione di trazione che interferisce direttamente con il modo in cui viene misurato l’elfo e che viene spesso trascurato da vari ricercatori è il rapporto di magrezza”, hanno affermato i ricercatori.

Sono stati condotti altri studi, con particolare attenzione agli effetti del rapporto di magrezza nei campioni di trazione; tuttavia, i ricercatori hanno notato sia la “disparità che la mancanza di consenso” nei dati della letteratura precedente, lasciandoli a creare una nuova tecnica per prevedere le proprietà meccaniche.

Gli autori hanno creato diversi campioni Ti-6Al-4V ELI (interstiziale bassissimo) per lo studio. Sono stati realizzati quattro campioni per ciascun rapporto di snellenza nominale, con diverse lunghezze in sagoma, con sezioni trasversali di area ridotta.

I campioni sono stati fabbricati in un batch EBM, con l’asse simmetrico longitudinale parallelo alla piattaforma di costruzione, nella direzione del braccio di inclinazione della polvere. Le strutture di supporto sono state fresate in sezioni trasversali quadrate / rettangolari o trasformate in sezioni trasversali circolari.

Composizione chimica (% in peso) della polvere ELI Ti – 6Al – 4V (ASTM F3001 [55]) determinata dagli standard ASTM: E1941 [56], E1409 [57], E1447 [58] e E2371 [59]

L’analisi degli elementi finiti (FEA) è stata completata e anche il criterio del danno duttile è stato stabilito, consentendo la previsione di “insorgenza di danni dovuti a nucleazione, crescita e coalescenza dei vuoti”.

Caratterizzazione microstrutturale delle parti ELI Ti – 6Al – 4V costruite in modo additivo (AM) da EBM. Immagini VLM (a, c) e SEM-SEI (b, d) dalla vista dall’alto (a, b) e direzione di costruzione (c, d), rispettivamente. Mappe EBSD che mostrano IPF lungo la direzione di costruzione (e) e gli angoli di Eulero (f).

una sollecitazione ingegneristica rappresentativa rispetto alle curve di deformazione ottenute dalle prove di trazione dei campioni in condizioni di costruzione. Notazione della sezione trasversale indica le dimensioni nominali iniziali della sezione ridotta del campione e L0, la lunghezza iniziale del misuratore prima della prova. b Immagine macroscopica rappresentativa dai campioni di prova di trazione dopo le prove (dimensioni in mm).

Dodici diversi campioni sono stati testati mentre gli autori hanno studiato come il rapporto di snellezza, k, influenza le proprietà meccaniche ottenute dalle curve di sollecitazione rispetto a quelle di deformazione.

“Questa serie concisa di campioni mostra quanto sia difficile analizzare e confrontare i dati sperimentali delle prove di trazione con diverse geometrie”, hanno affermato i ricercatori. “Poiché una delle proprietà meccaniche più importanti impiegate per verificare la qualità delle parti di costruzione è l’allungamento, la dispersione dei dati rende questa analisi molto complicata”.

Dati medi sperimentali e bibliografici sull’allungamento alla frattura Elfo ottenuti da prove di trazione e tracciato rispetto al rapporto di magrezza k. Le linee orizzontali tratteggiate corrispondono ai valori minimi di allungamento per i modelli as-built * e trattati termicamente ** (ad es. Antistress, ricottura o HIP) secondo gli standard AM. Campioni ELI Ti – 6Al – 4V.

Nell’esaminare le proprietà di resistenza YS e UTS, i ricercatori hanno notato una resistenza meccanica superiore nei campioni simmetrici.

Campioni a trazione FE con sezioni trasversali asimmetriche (a – h) e simmetriche (i – p). Von Mises proge contorni di stress e logaritmico immediatamente prima e alla resa, al massimo carico e alla frattura. Ogni elemento corrisponde a un insieme di tre immagini che corrispondono a una panoramica, un’immagine dettagliata e una vista in sezione longitudinale dell’immagine dettagliata (da sinistra a destra).

Rappresentazioni a bassa magni fi cazione e frattografie SEM-SEI dei diversi campioni di sezione trasversale dopo prove di trazione. a – d Ø 10 mm, e – h 6 9 6 mm e i – l 6 9 3 mm. I bordi colorati delle immagini b – d, f – h e j – l corrispondono a SEM-SEI delle regioni evidenziate con segni rettangolari (centro rosso, bordi blu e interfaccia gialla tra di loro) nelle immagini della superficie della frattura (a , e, i)

“I campioni a sezione circolare e quadrata hanno mostrato una resistenza meccanica superiore con un comportamento meccanico simile alle parti ad alta sollecitazione-triassialità sottoposte a test di trazione”, hanno concluso i ricercatori. “Un complesso stato di stress iniziale diffuso favorisce la resa mentre la distribuzione simmetrica della deformazione radiale favorisce una maggiore triassialità dello stress e di conseguenza limita la deformazione plastica e aumenta il carico massimo.”

“La modalità di frattura e i micro-meccanismi di frattura sono fortemente influenzati dal rapporto larghezza / spessore. I campioni simmetrici hanno mostrato fratture duttili a tazza e cono e sono state osservate zone di transizione marcate in superficie. La regione centrale del campione non è riuscita a causa della nucleazione e della crescita dei vuoti nella direzione di trazione, mentre la periferia mostrava fossette allungate nella direzione di una maggiore sollecitazione a taglio. In campioni molto sottili, si applica la condizione di sollecitazione piana e non sono state osservate zone di transizione con il labbro di taglio come meccanismo di fallimento predominante. “

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