预测3D打印金属零件失效时间，提前更换零件

2020年5月29日，南极熊获悉，美国陆军CCDC研究实验室（ARL）发现了一种预测3D打印零件性能的方法，并且可以了解到任何可能影响其性能的缺陷。

CCDC陆军研究实验室用粉末打印金属零件，图片来源：Dave McNally/美国陆军

在一项新的研究中详细介绍，ARL将通过传感器测量来检测和监测3D打印的马氏体钢的磨损情况。这样的测量可以帮助军方预测零件何时会退化或失效，需要更换，从而使其保持战备状态。

美国陆军CCDC陆军研究实验室车辆技术局主任Jaret C. Riddick博士解释说："3D打印的零件显示出某些属性，由于制造过程本身的原因，如果不加以检查，可能会导致这些零件以传统机械加工零件中没有观察到的方式退化。"

对3D打印零件的实时监控

这项研究近日发表在《International Journal of Advanced Manufacturing Technology》上，由来自美国国家标准与技术研究所、美国国家标准与技术研究所航空与导弹中心和约翰-霍普金斯大学的研究人员组成的研究小组领导。

它详细介绍了使用激光粉末床熔融(LPBF)3D打印工艺生产的马氏体钢梁，实时疲劳行为评估实验验证组的使用情况。马氏体钢是一种无碳铁镍合金，以具有优异的强度和韧性而不失去延展性而闻名。

使用X射线计算机断层扫描（CT）、纳米压痕和原子力显微镜对金属零件进行了评估。使用准静态测试过程来评估打印后的状态。

确保3D打印零件的质量和性能是大多数制造商的关键要求。例如，英国工程公司Renishaw开发了一个新的软件和硬件包，通过声学测量来提高LPBF构建的质量。Sigma Labs公司还提供了其PrintRite3D的过程中质量保证（IPQA）软件包，用于金属快速成型制造过程中的实时监控。

Digital Twins被西门子等公司用于为其开发和机器过程提供完整的虚拟化，实现了对生产性能的实时监控。

一个3D打印的金属零件，照片由美国陆军/David McNally提供

确保陆军用3D打印技术为部署做好准备

Riddick博士解释说，ARL的研究可以确保在需要立即更换零件的环境中，将零件准备就绪。而不要要等待很长时间再将需要更换零件从很远的地方寄送过来。

实验室的机械工程师Todd C. Henry博士是这项研究的共同作者，他表示："应变或涡流传感器会提供一个测量值，让你知道该零件需要更换。" Henry博士还希望开发一种工具来测量每个3D打印零件的独特性能，承认每个3D打印零件都是通过传感器测量的不同。

Henry博士补充道："如果我拿了一批回形针，开始来回弯曲它们，它们会根据与钢材相关的内部缺陷，以不同的时间间隔因疲劳损伤而断裂，""每个现实世界中的材料和结构都有不完善的地方，这些不完善的地方会使它的性能独一无二，所以如果这批回形针需要21-30个循环才能断裂，为了安全起见，我们今天要做的就是在15个循环之后把这批回形针扔掉。"

Henry博士继续说，3D打印零件的不完Mei是由计算机模型和打印件之间的空隙和几何差异造成的。在ARL开发的传感器技术提供了一种方法来跟踪单个零件，预测故障点，并在断裂前几个周期内更换。

Henry说，陆军研究人员正在将这些发现应用到3D打印不锈钢零件的新研究中，并使用机器学习技术，而不是传感器，来表征零件的寿命。

他说："3D打印技术在成本和时间上都有好处，也许无论如何都值得使用它。想象一下，你总是选择较坚固的材料，但有另一种材料更便宜，更容易得到，无论如何你需要证明这种材料是可以依赖的。"

Henry博士的论文 “In-Situ Fatigue Monitoring Investigation of Additively Manufactured Maraging Steel” 的共同作者是CCDCC陆军研究实验室的Francis Phillips博士和Dan Cole博士；国家标准与技术研究所的Ed Garboczi博士；作战能力发展指挥部航空和导弹中心的Robert Haynes博士和约翰霍普金斯大学的Terrence Johnson博士。

来源：南极熊3D打印