Piezas aeroespaciales fabricadas aditivamente: por qué son importantes los ensayos de fractura
Los ensayos de fractura y la certificación son fundamentales para comprender el impacto de los defectos y la anisotropía que surgen de la fabricación aditiva
Escrito por: Rebecca Reiff-Musgrove
Los componentes aeroespaciales rara vez fallan por una simple sobrecarga. En su lugar, las grietas se inician en pequeños defectos y se propagan bajo cargas de servicio hasta que se produce la fractura. A medida que la fabricación aditiva de metales (AM) continúa su transición del desarrollo a las aplicaciones aeroespaciales críticas para el vuelo, comprender cómo se comportan los materiales fabricados aditivamente en presencia de defectos es esencial para una adopción segura.
Por qué el comportamiento de fractura es importante en la fabricación aditiva aeroespacial
La fabricación aditiva de metales introduce características que influyen fuertemente en la tenacidad a la fractura:
- Porosidad interna y defectos de falta de fusión que actúan como iniciadores de grietas
- Tensiones residuales debidas a fuertes gradientes térmicos durante la fabricación
- Microestructuras heterogéneas impulsadas por una rápida solidificación
- Anisotropía, con propiedades que difieren según la orientación de fabricación
Incluso cuando la resistencia estática es comparable a la del material forjado, la tenacidad a la fractura puede ser menor o altamente direccional. Los ensayos de tenacidad a la fractura y de crecimiento de grietas proporcionan los datos necesarios para cuantificar la tolerancia al daño y definir los límites de funcionamiento seguros.
Retos de los ensayos específicos de la fabricación aditiva
Los ensayos de fractura de materiales fabricados aditivamente presentan varios retos. Las probetas suelen ser de tamaño reducido debido al coste del material y a los volúmenes de fabricación limitados. La resistencia a la propagación de grietas puede variar significativamente con la orientación, lo que hace que la alineación y el control de la carga sean críticos. Además, los materiales impresos en 3D suelen presentar una mayor dispersión de datos, impulsada por la variabilidad en el tamaño, la ubicación y la morfología de los defectos.
Los ensayos según normas internacionales estrictas también pueden ser un reto cuando se utilizan métodos de fabricación novedosos. Los materiales de alta rigidez, comparativamente “frágiles”, como las aleaciones de aluminio y titanio, pueden mostrar un comportamiento elástico lineal ligeramente reducido con la fabricación aditiva, lo que puede poner en entredicho la validez de las evaluaciones tradicionales de tenacidad a la fractura ASTM E399. Esto se agrava si se tiene en cuenta que las probetas pequeñas a menudo superan los límites de los requisitos de tamaño.
Por el contrario, materiales como las aleaciones de acero de alta resistencia pueden exhibir una menor ductilidad en comparación con los equivalentes fabricados convencionalmente. Esta reducción es probable que sea perjudicial en los ensayos básicos de desplazamiento de apertura de la punta de grieta crítica (CTOD), como la norma ISO 12135, aunque su efecto es menos claro en los métodos que evalúan el inicio de grietas o la resistencia al desgarro, como las mediciones JIc que suelen utilizar la norma ASTM E1820.
El crecimiento de grietas por fatiga es otra área de interés significativa, pero es inherentemente más compleja de evaluar. Las diferencias con respecto a los materiales producidos convencionalmente pueden ser más pronunciadas, y los resultados son consistentemente sensibles a las tensiones residuales introducidas durante el proceso de fabricación.
Estos factores exigen sistemas de ensayos de fractura con una excelente resolución de fuerza y desplazamiento, un control preciso de la alineación y una alta repetibilidad para garantizar que el comportamiento medido refleje el material, no la configuración del ensayo.
Cómo Instron apoya los ensayos de fractura
Instron® cuenta con décadas de experiencia en el apoyo a los ensayos de fractura y tolerancia al daño para aplicaciones aeroespaciales. Nuestros sistemas de ensayo, combinados con el software Bluehill® Fracture, están diseñados para cumplir los requisitos de precisión, estabilidad y análisis de datos de los ensayos de mecánica de fractura, desde la detección temprana de materiales hasta los programas impulsados por la certificación.
Los sistemas Instron permiten a los ingenieros aeroespaciales:
- Realizar ensayos fiables de tenacidad a la fractura y de crecimiento de grietas en metales fabricados aditivamente utilizando flujos de trabajo integrados y alineados con los estándares
- Ensayar con precisión probetas de tamaño reducido y geometrías complejas con herramientas automatizadas de conformidad, longitud de grieta y reducción de datos proporcionadas por Bluehill Fracture
- Mantener una alineación y una fidelidad de medición precisas para materiales altamente anisotrópicos
- Generar datos e informes de fractura repetibles y defendibles con comprobaciones de validez integradas adecuadas para la presentación reglamentaria y de certificación
Conclusión
La fabricación aditiva ofrece ventajas significativas para el sector aeroespacial, pero el comportamiento de fractura sigue siendo un reto clave. Combinando ensayos de fractura cuidadosamente diseñados con sistemas de ensayo precisos y repetibles, las organizaciones aeroespaciales pueden cualificar con confianza los componentes fabricados aditivamente para un uso crítico para la seguridad. Con Instron, los ingenieros obtienen datos de fractura en los que pueden confiar para llevar diseños innovadores de la plataforma de fabricación al vuelo.
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Rebecca Reiff-Musgrove
Rebecca Reiff-Musgrove es Business Development Manager de ElectroPuls® en Instron. Su trayectoria incluye un MSci por la University of Cambridge, con especialización en las propiedades superficiales de piezas fabricadas mediante fabricación aditiva, así como puestos anteriores en ensayos de materiales para la industria de la fabricación aditiva. En Instron, ha desempeñado diversos cargos técnicos y comerciales, lo que le aporta una comprensión sólida tanto de la tecnología como de los retos del cliente a los que da respuesta.