3D baskılı parçaların gerilim konsantrasyonu optimizasyonu tasarımı ve yorulma ömrünün iyileştirilmesi

Gerilim konsantrasyonu kavramı ve tehlikeleri

Gerilim konsantrasyonu, parçanın geometrik şeklindeki (delikler, çentikler, basamaklar, pahlar vb. gibi) ani değişikliklerde yerel gerilimin nominal gerilimden çok daha yüksek olması olgusunu ifade eder. Gerilim konsantrasyonunun derecesi, maksimum yerel gerilimin nominal gerilime oranı olarak tanımlanan gerilim konsantrasyon katsayısı ile ifade edilir. Stres yoğunlaşması parçaların erken arızalanmasının ana nedenlerinden biridir. Özellikle yorulma yükleri altında gerilim yoğunlaşma alanları sıklıkla çatlak başlangıç ​​noktaları haline gelir. Katmanlı yapı ve malzeme anizotropisi nedeniyle 3D baskılı parçalar gerilim konsantrasyonuna karşı daha duyarlıdır ve tasarımda özel dikkat gerektirir.

Ortak gerilim yoğunlaşma konumlarının belirlenmesi

Tasarımdaki yaygın gerilim yoğunlaşma konumları şunları içerir: gerilim konsantrasyon katsayısının 2-3'e ulaşabileceği deliklerin kenarları, özellikle de yuvarlak deliklerin kenarları. Adımlarda ve kesit mutasyonlarında keskin geçişler stres konsantrasyonunu önemli ölçüde artıracaktır. Kama yuvaları, geçmeli oluklar vb. gibi çentikler ve oyuklar. Diş kökü ve diş tabanındaki gerilim konsantrasyonu açıktır. Yetersiz pah ve dolgulara sahip köşeler. Keskin köşeler ve kenarlar. Tasarım sırasında bu konumları, özellikle de yük aktarım yolu boyunca geometrik süreksizlikleri belirlemek için sonlu elemanlar analizinin kullanılması gerekir.

Gerilim konsantrasyonunu optimizasyon tasarım stratejisi

Gerilim konsantrasyonunu azaltmaya yönelik temel strateji, geometrik geçişi daha yumuşak hale getirmektir. Birincisi keskin köşeleri yuvarlatılmış köşelerle değiştirmektir. Yuvarlatılmış köşe yarıçapı ne kadar büyük olursa, gerilim konsantrasyon katsayısı o kadar küçük olur. Yuvarlatılmış köşe yarıçapının duvar kalınlığının %10-20'sinden az olmaması tavsiye edilir. İkincisi, geometrik süreksizliği azaltmak amacıyla kesit mutasyonunu konik bir geçişe dönüştürmek için geçiş konikliğini kullanmaktır. Üçüncüsü ise yerel kalınlığı arttırmak, gerilim yoğunlaşma alanlarındaki malzeme kalınlığını arttırmak ve nominal gerilimi azaltmaktır. Dördüncüsü, gerilimi azaltan delikler kullanmak ve gerilimi dağıtmak için ana deliklerin yakınına küçük delikler eklemektir. Beşincisi, desteğin kaldırılmasından kaynaklanan stres yoğunlaşma noktalarını önlemek için destek tasarımını optimize etmektir. Altıncı, baskı yönünü, gerilim yönü ara katman bağlanma yönüyle tutarlı olacak şekilde ayarlamaktır.

Yorulma ömrü tahmini ve doğrulama

3D baskılı parçaların yorulma ömrü tahmininin, malzemenin anizotropisini ve üretim kusurlarını dikkate alması gerekir. Yaygın olarak kullanılan yorulma ömrü tahmin yöntemleri şunları içerir: Malzeme yorulma testi verilerine dayanarak belirli bir gerilim genliği altında yorulma ömrünü tahmin eden S-N eğrisi yöntemi. Düşük çevrimli yorulmaya uygun gerinim ömrü yöntemi. Başlangıç ​​kusurlarının çatlak yayılımını dikkate alan kırılma mekaniği yöntemi. Ömür tahmini için stres analizini ve malzeme verilerini birleştiren sonlu elemanlar yorulma analizi. Doğrulama testinin gerçek yük koşullarını simüle etmesi, test örneklerinin sayısının yeterli olması (genellikle grup başına 5-10) ve ömür dağılımının istatistiksel olarak analiz edilmesi gerekir.

Yorulma ömrünü iyileştirmeye yönelik kapsamlı önlemler

3D baskılı parçaların yorulma ömrünü artırmak için tasarım, süreç ve son işlemenin birçok yönünden başlamamız gerekiyor. Tasarım açısından keskin geometrik özelliklerden kaçınılmış, yük dağıtım yolunu optimize etmek için geniş yuvarlatılmış köşeler ve yumuşak geçişler kullanılmıştır. Süreç açısından, katmanlar arası bağlanma kalitesini sağlamak, gözenekleri ve kusurları azaltmak ve gerektiğinde süreç optimizasyon deneyleri gerçekleştirmek için uygun baskı parametrelerini seçin. İşlem sonrası olarak, yüzey kusurlarını ortadan kaldırmak için yüzey parlatma yapılır, yüzey basınç stresini oluşturmak için bilyalı dövme yapılır ve iç stresi ortadan kaldırmak için ısıl işlem yapılır. Malzeme seçiminde mühendislik reçineleri, naylon, metaller vb. gibi iyi yorulma özelliklerine sahip malzemelere öncelik verilir.