Projeto de otimização de concentração de tensão e melhoria da vida útil em fadiga de peças impressas em 3D

O conceito e os perigos da concentração de tensão

A concentração de tensão refere-se ao fenômeno de que a tensão local em mudanças repentinas na forma geométrica da peça (como furos, entalhes, degraus, chanfros, etc.) é muito maior que a tensão nominal. O grau de concentração de tensões é expresso pelo coeficiente de concentração de tensões, que é definido como a razão entre a tensão local máxima e a tensão nominal. A concentração de tensões é uma das principais causas de falha prematura de peças. Especialmente sob cargas de fadiga, as áreas de concentração de tensão muitas vezes tornam-se pontos de início de trincas. Devido à estrutura em camadas e à anisotropia do material, as peças impressas em 3D são mais sensíveis à concentração de tensões e requerem atenção especial no design.

Identificação de locais comuns de concentração de tensão

Os locais comuns de concentração de tensão no projeto incluem: as bordas dos furos, especialmente as bordas dos furos redondos, onde o coeficiente de concentração de tensão pode atingir 2-3. Em etapas e mutações transversais, transições bruscas aumentarão significativamente a concentração de estresse. Entalhes e ranhuras, como rasgos de chaveta, ranhuras de encaixe, etc. A concentração de tensão na raiz da rosca e na parte inferior do dente é óbvia. Cantos com chanfros e filetes insuficientes. Cantos e bordas afiadas. A análise de elementos finitos precisa ser usada para identificar esses locais durante o projeto, especialmente descontinuidades geométricas ao longo do caminho de transferência de carga.

Estratégia de projeto de otimização da concentração de tensão

A estratégia principal para reduzir a concentração de tensão é tornar a transição geométrica mais suave. A primeira é substituir cantos vivos por cantos arredondados. Quanto maior o raio do canto arredondado, menor será o coeficiente de concentração de tensão. Recomenda-se que o raio do canto arredondado não seja inferior a 10-20% da espessura da parede. A segunda é usar a transição cônica para transformar a mutação da seção transversal em uma transição cônica para reduzir a descontinuidade geométrica. A terceira é aumentar a espessura local, aumentar a espessura do material nas áreas de concentração de tensão e reduzir a tensão nominal. A quarta é usar furos para redução de tensão e adicionar pequenos furos próximos aos furos principais para dispersar a tensão. A quinta é otimizar o projeto do suporte para evitar pontos de concentração de tensão deixados pela remoção do suporte. A sexta é ajustar a direção de impressão de modo que a direção da tensão seja consistente com a direção de ligação entre camadas.

Previsão e verificação da vida útil em fadiga

A previsão da vida útil em fadiga de peças impressas em 3D precisa considerar a anisotropia do material e os defeitos de fabricação. Os métodos de previsão de vida em fadiga comumente usados ​​incluem: Método da curva S-N, que prevê a vida em fadiga sob uma determinada amplitude de tensão com base em dados de teste de fadiga do material. Método de tensão-vida, adequado para fadiga de baixo ciclo. Método da mecânica da fratura, considerando a propagação de fissuras de defeitos iniciais. Análise de fadiga por elementos finitos, combinando análise de tensão e dados de materiais para previsão de vida útil. O teste de verificação precisa simular condições reais de carga, o número de amostras de teste deve ser suficiente (geralmente 5 a 10 por grupo) e a distribuição de vida deve ser analisada estatisticamente.

Medidas abrangentes para melhorar a vida útil em fadiga

Para melhorar a vida útil em fadiga de peças impressas em 3D, precisamos começar com muitos aspectos de design, processo e pós-processamento. Em termos de design, são evitadas características geométricas nítidas, grandes cantos arredondados e transições suaves são usados ​​para otimizar o caminho de distribuição de carga. Em termos de processo, selecione parâmetros de impressão apropriados para garantir a qualidade da ligação entre camadas, reduzir poros e defeitos e realizar experimentos de otimização de processos quando necessário. Em termos de pós-processamento, o polimento superficial é realizado para eliminar defeitos superficiais, o shot peening é realizado para introduzir tensão de compressão superficial e o tratamento térmico é realizado para eliminar tensões internas. Em termos de seleção de materiais, é dada prioridade a materiais com boas propriedades de fadiga, como resinas de engenharia, náilon, metais, etc.