Progettazione di ottimizzazione della concentrazione dello stress e miglioramento della durata a fatica delle parti stampate in 3D

Il concetto e i rischi della concentrazione di sollecitazione

La concentrazione di sollecitazione si riferisce al fenomeno per cui la sollecitazione locale in caso di improvvisi cambiamenti nella forma geometrica della parte (come fori, intagli, gradini, smussi, ecc.) è molto superiore alla sollecitazione nominale. Il grado di concentrazione delle sollecitazioni è espresso dal coefficiente di concentrazione delle sollecitazioni, che è definito come il rapporto tra la massima sollecitazione locale e la sollecitazione nominale. La concentrazione delle sollecitazioni è una delle principali cause di guasto prematuro delle parti. Soprattutto sotto carichi di fatica, le aree di concentrazione delle tensioni spesso diventano punti di innesco delle cricche. A causa della struttura a strati e dell’anisotropia del materiale, le parti stampate in 3D sono più sensibili alla concentrazione dello stress e richiedono un’attenzione particolare nella progettazione.

Identificazione dei punti comuni di concentrazione delle sollecitazioni

Posizioni comuni di concentrazione delle sollecitazioni nella progettazione includono: i bordi dei fori, in particolare i bordi dei fori rotondi, dove il coefficiente di concentrazione delle sollecitazioni può raggiungere 2-3. Nei passaggi e nelle mutazioni della sezione trasversale, le transizioni nette aumenteranno significativamente la concentrazione dello stress. Intagli e scanalature, come sedi per chiavetta, scanalature a scatto, ecc. La concentrazione dello stress sulla radice della filettatura e sul fondo del dente è evidente. Angoli con smussi e raccordi insufficienti. Angoli e bordi taglienti. È necessario utilizzare l'analisi degli elementi finiti per identificare queste posizioni durante la progettazione, in particolare le discontinuità geometriche lungo il percorso di trasferimento del carico.

Strategia di progettazione per l'ottimizzazione della concentrazione dello stress

La strategia principale per ridurre la concentrazione dello stress è rendere la transizione geometrica più fluida. Il primo è sostituire gli angoli acuti con angoli arrotondati. Maggiore è il raggio dell'angolo arrotondato, minore è il coefficiente di concentrazione delle sollecitazioni. Si raccomanda che il raggio dell'angolo arrotondato non sia inferiore al 10-20% dello spessore della parete. Il secondo consiste nell'utilizzare la rastremazione della transizione per modificare la mutazione della sezione trasversale in una transizione rastremata per ridurre la discontinuità geometrica. Il terzo è aumentare lo spessore locale, aumentare lo spessore del materiale nelle aree di concentrazione delle tensioni e ridurre la tensione nominale. Il quarto consiste nell'utilizzare fori per ridurre lo stress e aggiungere piccoli fori vicino ai fori principali per disperdere lo stress. Il quinto consiste nell'ottimizzare la progettazione del supporto per evitare punti di concentrazione delle sollecitazioni lasciati dalla rimozione del supporto. Il sesto è regolare la direzione di stampa in modo che la direzione della sollecitazione sia coerente con la direzione del legame tra gli strati.

Previsione e verifica della vita a fatica

La previsione della vita a fatica delle parti stampate in 3D deve considerare l'anisotropia del materiale e i difetti di fabbricazione. I metodi di previsione della durata a fatica comunemente utilizzati includono: Metodo della curva S-N, che prevede la durata a fatica sotto una determinata ampiezza di sollecitazione sulla base dei dati delle prove di fatica del materiale. Metodo della durata della deformazione, adatto per la fatica a basso numero di cicli. Metodo della meccanica della frattura, considerando la propagazione delle fessure dei difetti iniziali. Analisi della fatica agli elementi finiti, che combina l'analisi delle sollecitazioni e i dati sui materiali per la previsione della vita. Il test di verifica deve simulare le condizioni di carico effettive, il numero di campioni di prova deve essere sufficiente (solitamente 5-10 per gruppo) e la distribuzione della durata deve essere analizzata statisticamente.

Misure complete per migliorare la resistenza alla fatica

Per migliorare la resistenza alla fatica delle parti stampate in 3D, dobbiamo iniziare da molti aspetti della progettazione, del processo e della post-elaborazione. In termini di design, si evitano caratteristiche geometriche taglienti, si utilizzano ampi angoli arrotondati e transizioni morbide per ottimizzare il percorso di distribuzione del carico. In termini di processo, selezionare i parametri di stampa appropriati per garantire la qualità del legame tra gli strati, ridurre i pori e i difetti e condurre esperimenti di ottimizzazione del processo quando necessario. In termini di post-elaborazione, viene eseguita la lucidatura superficiale per eliminare i difetti superficiali, viene eseguita la pallinatura per introdurre stress di compressione superficiale e viene eseguito il trattamento termico per eliminare lo stress interno. In termini di selezione dei materiali, viene data priorità ai materiali con buone proprietà di fatica, come resine tecniche, nylon, metalli, ecc.