Оптимизация концентрации напряжений и улучшение усталостной долговечности 3D-печатных деталей.

Понятие и опасности концентрации напряжений

Концентрация напряжений относится к явлению, при котором локальное напряжение при внезапных изменениях геометрической формы детали (например, отверстия, выемки, ступеньки, фаски и т. д.) намного превышает номинальное напряжение. Степень концентрации напряжений выражается коэффициентом концентрации напряжений, который определяется как отношение максимального местного напряжения к номинальному напряжению. Концентрация напряжений является одной из основных причин преждевременного выхода деталей из строя. Зоны концентрации напряжений часто становятся точками зарождения трещин, особенно при усталостных нагрузках. Из-за слоистой структуры и анизотропии материала детали, напечатанные на 3D-принтере, более чувствительны к концентрации напряжений и требуют особого внимания при проектировании.

Определение распространенных мест концентрации напряжений

К распространенным местам концентрации напряжений при проектировании относятся: края отверстий, особенно края круглых отверстий, где коэффициент концентрации напряжений может достигать 2-3. При ступенчатых и поперечных мутациях резкие переходы значительно повышают концентрацию стресса. Выемки и канавки, такие как шпоночные канавки, канавки для защелки и т. д. Концентрация напряжений у основания резьбы и нижней части зуба очевидна. Углы с недостаточными фасками и скруглениями. Острые углы и края. Анализ методом конечных элементов необходимо использовать для выявления этих мест во время проектирования, особенно геометрических неоднородностей на пути передачи нагрузки.

Стратегия разработки оптимизации концентрации напряжений

Основная стратегия снижения концентрации напряжений заключается в том, чтобы сделать геометрический переход более плавным. Первый – заменить острые углы закругленными. Чем больше радиус закругления угла, тем меньше коэффициент концентрации напряжений. Рекомендуется, чтобы радиус закругления угла составлял не менее 10-20% толщины стены. Второй — использовать конусность перехода, чтобы превратить мутацию поперечного сечения в конусный переход, чтобы уменьшить геометрическую неоднородность. Третий — увеличить локальную толщину, увеличить толщину материала в зонах концентрации напряжений и снизить номинальное напряжение. Четвертый — использовать отверстия для снижения напряжения и добавить небольшие отверстия рядом с основными отверстиями для рассеивания напряжения. Пятый — оптимизировать конструкцию опоры, чтобы избежать точек концентрации напряжений, возникающих в результате удаления опоры. В-шестых, необходимо отрегулировать направление печати так, чтобы направление напряжения соответствовало направлению межслойного соединения.

Прогнозирование и проверка усталостной долговечности

При прогнозировании усталостной долговечности 3D-печатных деталей необходимо учитывать анизотропию материала и производственные дефекты. Обычно используемые методы прогнозирования усталостной долговечности включают: Метод кривой S-N, который прогнозирует усталостную долговечность при заданной амплитуде напряжения на основе данных испытаний материала на усталость. Метод деформации-жизни, подходящий для малоцикловой усталости. Метод механики разрушения, учитывающий распространение трещин исходных дефектов. Анализ усталости методом конечных элементов, объединяющий анализ напряжений и данные о материалах для прогнозирования срока службы. Проверочное испытание должно моделировать условия реальной нагрузки, количество тестовых образцов должно быть достаточным (обычно 5–10 на группу), а распределение срока службы должно быть статистически проанализировано.

Комплексные меры по увеличению усталостной долговечности

Чтобы улучшить усталостную долговечность 3D-печатных деталей, нам необходимо начать со многих аспектов проектирования, процесса и последующей обработки. В конструкции избегаются острые геометрические детали, используются большие закругленные углы и плавные переходы для оптимизации пути распределения нагрузки. С точки зрения процесса выберите подходящие параметры печати, чтобы обеспечить качество межслойного соединения, уменьшить поры и дефекты и при необходимости провести эксперименты по оптимизации процесса. Что касается постобработки, то для устранения поверхностных дефектов проводят полировку поверхности, дробеструйную обработку для введения поверхностных сжимающих напряжений и термообработку для устранения внутренних напряжений. При выборе материалов приоритет отдается материалам с хорошими усталостными свойствами, например конструкционным смолам, нейлону, металлам и т. д.