Por qué los ensayos de fatiga precisos son esenciales para las piezas de automoción fabricadas mediante fabricación aditiva
Los datos de ensayo fiables ayudan a abordar los defectos y a garantizar la durabilidad en el rendimiento de los componentes en condiciones reales
Escrito por: Rebecca Reiff-Musgrove
La fabricación aditiva (AM) se está incorporando rápidamente a aplicaciones funcionales de automoción. Soportes ligeros, carcasas, utillaje, componentes térmicos y piezas estructurales se producen cada vez más mediante procesos aditivos.
En la industria de la automoción, el fallo por fatiga sigue siendo una de las causas raíz más habituales de fallo de componentes en servicio. Las piezas se someten a millones de ciclos de carga, como vibraciones o ciclos térmicos. Aunque estas cargas suelen estar muy por debajo de la resistencia última de un material, aun así pueden provocar el inicio de grietas y daños progresivos con el tiempo. En el caso de las piezas de automoción, comprender el comportamiento a fatiga es esencial para la cualificación y la validación.
Por qué la fatiga es especialmente crítica en las piezas de automoción fabricadas mediante fabricación aditiva
La fabricación aditiva introduce varias características que pueden reducir significativamente la resistencia a fatiga en comparación con los materiales tradicionales. La porosidad interna y los defectos por falta de fusión actúan como concentradores de tensiones, mientras que la elevada rugosidad superficial en condición “as-built” favorece el inicio temprano de grietas.
El comportamiento a fatiga puede verse aún más degradado por las tensiones residuales causadas por el rápido ciclado térmico durante el proceso de fabricación, así como por las propiedades direccionales (anisotrópicas) del material inherentes a la fabricación capa a capa. Como resultado, los ensayos de fatiga suelen ser el factor limitante al cualificar piezas fabricadas mediante fabricación aditiva para uso en automoción.
Impacto de la variabilidad impulsada por el proceso en los datos de fatiga
Uno de los retos definitorios de los ensayos de fatiga en fabricación aditiva es la variabilidad. A diferencia de los materiales tradicionales laminados o fundidos, las piezas fabricadas mediante fabricación aditiva se construyen a partir de miles de baños de fusión o capas incrementales. Pequeños cambios en parámetros del proceso como la potencia del láser, la estrategia de escaneado, la deposición de filamento, la calidad del polvo o el historial térmico local pueden tener un efecto desproporcionado en el comportamiento a fatiga.
Los estudios sobre probetas de polímero fabricadas mediante fabricación aditiva han demostrado que variaciones relativamente pequeñas en la geometría o la rigidez de la probeta pueden dar lugar a diferencias de un orden de magnitud en la vida a fatiga, llegando incluso, en ocasiones, a manifestarse como poblaciones de fatiga completamente distintas. Sin un diseño de ensayo y una medición cuidadosos, existe el riesgo de interpretar erróneamente estos efectos como dispersión inherente del material, en lugar de como una combinación de variabilidad del proceso e incertidumbre en el cálculo de tensiones.
Esto suele provocar una mayor dispersión en los datos de fatiga y diferencias entre piezas nominalmente idénticas. Los sistemas de ensayo de fatiga deben ofrecer una excelente repetibilidad, alineación y estabilidad de control para garantizar que las diferencias observadas se deban realmente al material o al proceso, y no al propio ensayo.
Condición superficial y efectos del posprocesado
Los programas de fatiga comparan con frecuencia secciones calibradas en condición “as-built” frente a secciones mecanizadas, o distintos tratamientos superficiales y térmicos, debido al impacto dominante de los defectos superficiales en el inicio de grietas por fatiga. Los ensayos de fatiga precisos permiten a los ingenieros cuantificar el beneficio de las etapas de posprocesado y tomar decisiones informadas sobre el equilibrio coste-rendimiento en la producción de automoción.
Al comparar distintos efectos superficiales, basarse únicamente en la geometría nominal o en dimensiones asumidas puede dar lugar a una dispersión significativa de los datos debido a la incertidumbre en la medición y la precisión de impresión. Los sistemas de fatiga que pueden supervisar métricas adicionales durante todo el ensayo, como la rigidez dinámica, permiten a los ingenieros de ensayo corregir estos efectos para un análisis de datos más preciso.
Anisotropía y alineación
Dado que los materiales fabricados mediante fabricación aditiva son intrínsecamente anisotrópicos, el comportamiento a fatiga suele depender en gran medida de la orientación de fabricación. Los componentes cargados en paralelo a las capas de fabricación pueden comportarse de forma muy distinta a los cargados en la dirección de construcción. Incluso pequeñas desalineaciones pueden introducir tensiones de flexión no deseadas, que pueden afectar de manera desproporcionada a los resultados de fatiga en materiales altamente anisotrópicos.
Por tanto, las configuraciones de ensayo de fatiga deben adaptarse a probetas fabricadas en múltiples orientaciones y proporcionar un control de alineación preciso. Esto es especialmente importante al ensayar probetas de tamaño reducido o características de pared delgada, habituales en diseños de fabricación aditiva para automoción.
Tamaño de la probeta, limitaciones geométricas y ensayos representativos
Los materiales de fabricación aditiva, especialmente los polvos metálicos, son caros y los volúmenes de fabricación pueden ser limitados. Como resultado, los ensayos de fatiga en automoción suelen realizarse en probetas de tamaño reducido o geometrías no estándar —o directamente en características y componentes representativos— en lugar de en probetas estándar tipo “dog bone”. Además, las piezas pueden presentar un comportamiento a fatiga condicionado por la geometría debido a concentraciones de tensiones, estructuras reticulares, paredes delgadas o características integradas, lo que significa que los ensayos en cupones simples pueden no capturar por completo el rendimiento en servicio.
Estas limitaciones imponen exigencias adicionales al equipo de ensayo de fatiga, incluida una alta resolución de datos y soluciones de sujeción especializadas tanto para probetas de tamaño reducido como para probetas no estándar. Los sistemas de ensayo flexibles, capaces de evolucionar desde ensayos de fatiga en probetas simples hasta condiciones de carga realistas en componentes complejos de automoción, son esenciales para generar datos de fatiga significativos y relevantes para la aplicación.
Cómo Instron respalda los ensayos de fatiga para piezas de automoción fabricadas mediante fabricación aditiva
Instron® cuenta con una amplia experiencia apoyando aplicaciones tanto de automoción como de fabricación aditiva. Nuestras soluciones de ensayo de fatiga están diseñadas para abordar los retos específicos de los materiales fabricados mediante fabricación aditiva, desde el cribado inicial de materiales hasta los ensayos de durabilidad de componentes completos.
Los sistemas Instron permiten:
- Datos precisos de fatiga de alto número de ciclos con monitorización durante todo el ensayo
- Ensayos fiables de cupones de tamaño reducido, así como de componentes completos de automoción
- Alineación y control precisos para materiales anisotrópicos y sensibles a defectos
Con el respaldo de un soporte experto de aplicaciones, Instron ayuda a los ingenieros de automoción a generar datos de fatiga en los que confían para cualificar con seguridad piezas fabricadas mediante fabricación aditiva.
Conclusión
A medida que la fabricación aditiva continúa su transición hacia componentes funcionales de automoción, los ensayos de fatiga ya no son opcionales. Las características únicas de los materiales fabricados mediante fabricación aditiva exigen un diseño de ensayo cuidadoso, un control preciso y datos de alta calidad para garantizar la durabilidad bajo cargas cíclicas en condiciones reales.
Al combinar la estrategia adecuada de ensayos de fatiga con sistemas de ensayo robustos y repetibles, los ingenieros de automoción pueden interpretar con confianza el comportamiento a fatiga, evitar conclusiones engañosas y aprovechar todo el potencial de la fabricación aditiva sin comprometer la seguridad, la fiabilidad ni el rendimiento.
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Sobre el autor
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.