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적층 제조된 항공우주 부품: 파괴 시험이 중요한 이유

파괴 시험 및 인증은 적층 제조에서 발생하는 결함 및 이방성의 영향을 이해하는 데 매우 중요합니다.

| Instron 적층 제조된 부품의 특성은 기존 부품과 크게 다를 수 있으며, 특히 연성에서 차이가 납니다.

Additively manufactured component properties can vary significantly from traditional parts, especially in their ductility.

작성자: Rebecca Reiff-Musgrove

항공우주 부품이 단순히 과부하로 인해 파손되는 경우는 드뭅니다. 대신, 작은 결함에서 균열이 시작되어 파괴가 발생할 때까지 서비스 하중 하에서 전파됩니다. 금속 적층 제조(AM)가 개발 단계에서 비행에 중요한 항공우주 응용 분야로 계속 전환됨에 따라, 결함이 있는 상태에서 적층 제조된 재료가 어떻게 거동하는지 이해하는 것은 안전한 도입을 위해 필수적입니다.

항공우주 적층 제조에서 파괴 거동이 중요한 이유

금속 적층 제조는 파괴 인성에 강력한 영향을 미치는 특성을 도입합니다.

균열 개시제 역할을 하는 내부 기공 및 융합 부족 결함
빌드 중 급격한 열 구배로 인한 잔류 응력
급속 응고로 인한 불균질한 미세 구조
빌드 방향에 따라 속성이 달라지는 이방성

정적 강도가 가공 재료와 비슷하더라도 파괴 인성은 더 낮거나 높은 방향성을 가질 수 있습니다. 파괴 인성 및 균열 성장 시험은 손상 허용 한도를 정량화하고 안전한 작동 한계를 정의하는 데 필요한 데이터를 제공합니다.

Build orientation of additively manufactured materials can affect fracture toughness.

적층 제조 고유의 시험 과제

적층 제조된 재료의 파괴 시험은 몇 가지 과제를 안겨줍니다. 재료 비용과 제한된 빌드 볼륨으로 인해 시편이 소형인 경우가 많습니다. 균열 저항은 방향에 따라 크게 달라질 수 있으므로 정렬 및 하중 제어가 매우 중요합니다. 또한, 3D 프린팅된 재료는 일반적으로 결함 크기, 위치 및 형태의 가변성으로 인해 더 큰 데이터 산포를 나타냅니다.

새로운 제조 방법을 사용할 때는 엄격한 국제 표준에 따른 시험도 어려울 수 있습니다. 알루미늄 및 티타늄 합금과 같이 강성이 높고 상대적으로 "취성"이 있는 재료는 적층 제조 시 선형 탄성 거동이 약간 감소할 수 있으며, 이는 전통적인 ASTM E399 파괴 인성 평가의 유효성에 문제를 제기할 수 있습니다. 이는 소형 시편이 크기 요구 사항의 한계에 부딪히는 경우가 많다는 점을 고려할 때 더욱 복합적으로 작용합니다.

반대로, 고강도 강철 합금과 같은 재료는 기존 방식으로 제조된 동등한 재료에 비해 연성이 낮을 수 있습니다. 이러한 감소는 ISO 12135와 같은 기본적인 임계 균열 선단 개구 변위(CTOD) 시험에서 불리하게 작용할 가능성이 높지만, 일반적으로 ASTM E1820을 사용하는 JIc 측정과 같이 균열 개시 또는 인열 저항을 평가하는 방법에서의 효과는 덜 명확합니다.

피로 균열 성장은 또 다른 중요한 관심 분야이지만, 본질적으로 평가하기가 더 복잡합니다. 기존 방식으로 생산된 재료와의 차이가 더 두드러질 수 있으며, 결과는 제조 공정 중에 도입된 잔류 응력에 지속적으로 민감하게 반응합니다.

이러한 요인들로 인해 측정된 거동이 시험 설정이 아닌 재료를 반영하도록 보장하기 위해 우수한 힘 및 변위 분해능, 정밀한 정렬 제어 및 높은 반복성을 갖춘 파괴 시험 시스템이 요구됩니다.

Sub-size components are highly reliant on alignment to ensure test data is accurate.

Instron이 파괴 시험을 지원하는 방법

Instron^®은 항공우주 응용 분야의 파괴 및 손상 허용 시험을 지원하는 수십 년의 경험을 보유하고 있습니다. 당사의 시험 시스템은 Bluehill^Fracture 소프트웨어와 결합되어 초기 재료 스크리닝부터 인증 중심 프로그램에 이르기까지 파괴 역학 시험의 정밀도, 안정성 및 데이터 분석 요구 사항을 충족하도록 설계되었습니다.

Instron 시스템을 통해 항공우주 엔지니어는 다음을 수행할 수 있습니다.

통합된 표준 준수 워크플로를 사용하여 적층 제조된 금속에 대해 신뢰할 수 있는 파괴 인성 및 균열 성장 시험 수행
Bluehill Fracture에서 제공하는 자동 컴플라이언스, 균열 길이 및 데이터 축소 도구를 사용하여 소형 시편 및 복잡한 형상을 정확하게 시험
고도의 이방성 재료에 대해 정밀한 정렬 및 측정 충실도 유지
규제 및 인증 제출에 적합한 통합 유효성 검사를 통해 반복 가능하고 입증 가능한 파괴 데이터 및 보고서 생성

| Instron Bluehill Fracture 소프트웨어의 유효성 검사

Test validity checking aligned with regulatory requirements is possible in Instron’s Bluehill Fracture software.

결론

적층 제조는 항공우주 분야에 상당한 이점을 제공하지만, 파괴 거동은 여전히 주요 과제로 남아 있습니다. 정밀하고 반복 가능한 시험 시스템과 세심하게 설계된 파괴 시험을 결합함으로써 항공우주 조직은 안전이 중요한 용도에 적층 제조된 부품을 자신 있게 인증할 수 있습니다. 엔지니어는 Instron을 통해 혁신적인 설계를 빌드 플랫폼에서 비행 단계로 이끄는 데 신뢰할 수 있는 파괴 데이터를 얻을 수 있습니다.

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