研究小组使用中子检测3D打印零件中的内部应力

时间：2021-05-07 08:43 来源：中国3D打印网作者：中国3D打印网阅读：次

中国3D打印网5月7日讯，慕尼黑工业大学（TUM）的研究小组开发了一种无损方法，可使用中子检测3D打印零件中的内部应力。研究人员在能源技术公司Siemens Energy的3D打印格子结构上测试了他们的方法，该公司的3D打印燃气轮机叶片中使用了这种方法。“具有这种复杂结构的复杂组件将无法使用传统的制造方法（如铸造或铣削）来制造，”德国联邦材料研究与测试学院（BAM）的Tobias Fritsch博士说。 “我们想看看我们是否可以使用中子来检测这个复杂组件中的内部应力。”

残余应力衍射仪STRESS-SPEC上测量位置的晶格结构

残余应力衍射仪STRESS-SPEC上测量位置的晶格结构。图片来自Tobias Fritsch / BAM。
3D打印零件的无损检测
西门子能源公司使用镍铬合金印刷了几毫米大小的晶格结构，并有意省去了印刷后的常规热处理。晶格是通过激光粉末床融合（LPBF）制造的，从而使结构具有复杂的几何形状。但是，在打印过程中，激光的局部热输入和熔池的快速冷却会导致材料中残留应力。尽管可以花费时间并因此花费金钱，但是可以通过热处理过程来消除这种压力。但是，在此之前，残余应力还会在生产过程中损坏组件，从而导致裂纹或变形。
评估材料的结构完整性主要是通过破坏性或半破坏性的方式进行的，这对于零件的批量生产而言并不理想。取而代之的是，中子衍射可以无损检测散装材料中的残余应力，为了使用这种方法测试燃气轮机部件的内部应力，Fritsch用来自研究中子源Hein Maier-Leibnitz（FRM II）的中子轰击了该零件，并使用了STRESS-SPEC中子衍射仪。然后使用Python脚本计算主应力方向，同时从九个应变测量值中提取六个独立的应力分量。这些测量表明晶格结构的支柱和结的主应力方向。

残余应力衍射仪STRESS-SPEC上测量位置的晶格结构

残余应力衍射仪STRESS-SPEC上测量位置的晶格结构。图片来自Tobias Fritsch / BAM。
检测内部应力
通过他们的实验，该团队演示了使用中子衍射确定晶格结构中残余应力的可靠程序。但是，一旦他们检测到压力，下一步就是找到减轻压力的方法。Fritsch说：“我们知道我们必须修改生产过程参数，从而改变打印过程中组件的构建方式。在熔化过程中，热量施加的局部性越强，产生的内部应力就越大。因此，我们必须在打印过程中尽可能均匀地分配热量。”展望未来，该团队将研究具有新组件和修改后的印刷参数的过程，并已与西门子合作，计划利用Garching的TUM中子源进行新的测量。

Tobias Fritsch博士使用遥控器在研究中子源的残余应力衍射仪STRESS-SPEC中将晶格结构置于正确的测量位置。摄影：Michael Hofmann / FRM II / TUM。
AM内的非破坏性测试
尽管对3D打印零件进行破坏性测试仍然是检测应力和弱点的最常见方法，但还有其他一些开发无损检测过程的方法。例如，美国国家标准技术研究院（NIST）的科学家们开发了一种使用先进的探针和计算机算法精确测量SLA 3D打印过程中聚合物硬化速率的方法。将机器学习与CT扫描相结合是另一种非破坏性技术，纽约大学Tandon工程学院的研究人员已应用该技术来揭示3D打印复合材料背后的漏洞。

在其他地方，新加坡国家增材制造创新集群（NAMIC）与新加坡国家计量中心合作，为通过粉末床熔合和粘结剂喷射制造的零件的无损检测开发标准指南。该研究项目是由标准开发者ASTM International资助的旨在鼓励3D打印内部标准化的八项举措之一。

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