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打印零件的不完美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，你总是选择最坚固的材料，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。

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