Parti aerospaziali prodotte in modo additivo: perché i test di frattura sono importanti
I test di frattura e la certificazione sono fondamentali per comprendere l'impatto dei difetti e dell'anisotropia derivanti dalla produzione additiva
Scritto da: Rebecca Reiff-Musgrove
I componenti aerospaziali raramente cedono per un semplice sovraccarico. Al contrario, le incrinature si innescano in corrispondenza di piccoli difetti e si propagano sotto i carichi di esercizio fino alla rottura. Mentre la produzione additiva (AM) di metalli continua la sua transizione dallo sviluppo alle applicazioni aerospaziali critiche per il volo, comprendere come si comportano i materiali prodotti in modo additivo in presenza di difetti è essenziale per un'adozione sicura.
Perché il comportamento a frattura è importante nella produzione additiva aerospaziale
La produzione additiva di metalli introduce caratteristiche che influenzano fortemente la tenacità a frattura:
- Porosità interna e difetti di mancanza di fusione che agiscono come inneschi di incrinature
- Tensioni residue dovute a forti gradienti termici durante la costruzione
- Microstrutture eterogenee guidate dalla rapida solidificazione
- Anisotropia, con proprietà che variano in base all'orientamento della costruzione
Anche quando la resistenza statica è paragonabile a quella del materiale lavorato, la tenacità a frattura può essere inferiore o altamente direzionale. I test di tenacità a frattura e di propagazione delle incrinature forniscono i dati necessari per quantificare la tolleranza al danno e definire limiti operativi sicuri.
Sfide di prova uniche per la produzione additiva
I test di frattura sui materiali prodotti in modo additivo presentano diverse sfide. I provini sono spesso di dimensioni ridotte a causa del costo del materiale e dei volumi di costruzione limitati. La resistenza alle incrinature può variare significativamente con l'orientamento, rendendo critici l'allineamento e il controllo del carico. Inoltre, i materiali stampati in 3D mostrano tipicamente una maggiore dispersione dei dati, dovuta alla variabilità delle dimensioni, della posizione e della morfologia dei difetti.
Eseguire test secondo rigorosi standard internazionali può essere impegnativo quando si utilizzano metodi di produzione innovativi. I materiali ad alta rigidità e relativamente “fragili”, come le leghe di alluminio e titanio, possono mostrare un comportamento elastico-lineare leggermente ridotto con la produzione additiva, il che può mettere in discussione la validità delle tradizionali valutazioni della tenacità a frattura ASTM E399. Ciò è aggravato dal fatto che i provini piccoli spesso spingono al limite i requisiti dimensionali.
Al contrario, materiali come le leghe di acciaio ad alta resistenza possono mostrare una duttilità inferiore rispetto agli equivalenti prodotti convenzionalmente. Questa riduzione sarà probabilmente dannosa nei test di base del valore critico dell'apertura all'apice dell'incrinatura (CTOD) come ISO 12135, sebbene il suo effetto sia meno chiaro nei metodi che valutano l'innesco dell'incrinatura o la resistenza allo strappo, come le misurazioni JIc che tipicamente utilizzano ASTM E1820.
La propagazione delle incrinature per fatica è un'altra area di grande interesse, ma è intrinsecamente più complessa da valutare. Le differenze rispetto ai materiali prodotti convenzionalmente possono essere più marcate e i risultati sono costantemente sensibili alle tensioni residue introdotte durante il processo di produzione.
Questi fattori richiedono sistemi di prova di frattura con un'eccellente risoluzione di forza e spostamento, un controllo preciso dell'allineamento e un'elevata ripetibilità per garantire che il comportamento misurato rifletta il materiale e non la configurazione del test.
In che modo Instron supporta i test di frattura
Instron® vanta decenni di esperienza nel supporto ai test di frattura e di tolleranza al danno per applicazioni aerospaziali. I nostri sistemi di prova, combinati con il software Bluehill® Fracture, sono progettati per soddisfare i requisiti di precisione, stabilità e analisi dei dati dei test di meccanica della frattura, dallo screening iniziale dei materiali ai programmi finalizzati alla certificazione.
I sistemi Instron consentono agli ingegneri aerospaziali di:
- Eseguire test affidabili di tenacità a frattura e di propagazione delle incrinature su metalli prodotti in modo additivo utilizzando flussi di lavoro integrati e allineati agli standard
- Testare accuratamente provini di dimensioni ridotte e geometrie complesse con gli strumenti automatizzati di compliance, lunghezza dell'incrinatura e riduzione dei dati forniti da Bluehill Fracture
- Mantenere un allineamento preciso e una fedeltà di misurazione per materiali altamente anisotropi
- Generare dati di frattura e report ripetibili e difendibili con controlli di validità integrati adatti alla presentazione per scopi normativi e di certificazione
Conclusione
La produzione additiva offre vantaggi significativi per il settore aerospaziale, ma il comportamento a frattura rimane una sfida chiave. Combinando test di frattura accuratamente progettati con sistemi di prova precisi e ripetibili, le organizzazioni aerospaziali possono qualificare con fiducia i componenti prodotti in modo additivo per usi critici per la sicurezza. Con Instron, gli ingegneri ottengono dati sulla frattura di cui possono fidarsi per portare progetti innovativi dalla piattaforma di costruzione al volo.
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Rebecca Reiff-Musgrove
Rebecca Reiff-Musgrove è Business Development Manager per ElectroPuls® presso Instron. Il suo background include un MSci presso l'Università di Cambridge con un focus sulle proprietà superficiali dei componenti prodotti in modo additivo, oltre a precedenti ruoli nei test dei materiali per l'industria della produzione additiva. In Instron, ha ricoperto diversi ruoli tecnici e commerciali, che le hanno fornito una solida comprensione sia della tecnologia che delle sfide dei clienti che essa affronta.