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적층 제조 자동차 부품에 정밀 피로 시험이 필수적인 이유

신뢰할 수 있는 시험 데이터는 결함을 해결하고 실제 부품 성능 하에서 내구성을 보장하는 데 도움이 됩니다.

적층 제조(AM)는 기능성 자동차 응용 분야로 빠르게 확장되고 있습니다. 경량 브래킷, 하우징, 툴링, 열 부품 및 구조 부품은 적층 공정을 사용하여 점점 더 많이 생산되고 있습니다.

자동차 산업에서 피로 파괴는 사용 중인 부품 고장의 가장 흔한 근본 원인 중 하나로 남아 있습니다. 부품은 진동이나 열 순환과 같은 수백만 번의 하중 주기를 겪습니다. 이러한 하중은 종종 재료의 극한 강도보다 훨씬 낮지만, 시간이 지남에 따라 균열 발생 및 점진적인 손상으로 이어질 수 있습니다. 자동차 부품의 경우, 피로 성능을 이해하는 것은 품질 검증 및 유효성 검사에 필수적입니다.

적층 제조 자동차 부품에 피로가 특히 중요한 이유

적층 제조는 기존 재료에 비해 피로 강도를 크게 감소시킬 수 있는 여러 특징을 가지고 있습니다. 내부 기공 및 융합 부족 결함은 응력 집중제로 작용하며, 제조 상태의 높은 표면 거칠기는 초기 균열 발생을 촉진합니다.

피로 성능은 제조 공정 중 급격한 열 순환으로 인한 잔류 응력과 층별 제조에 내재된 방향성(이방성) 재료 특성으로 인해 더욱 저하될 수 있습니다. 결과적으로, 적층 제조 부품을 자동차 용도로 검증할 때 피로 시험이 종종 제한 요소가 됩니다.

| Instron 서스펜션 위시본 부품과 같은 혁신적인 자동차 부품은 견고한 시험을 필요로 합니다.

Innovative automotive parts such as suspension wishbone components require robust testing.

공정 기반 가변성이 피로 데이터에 미치는 영향

적층 제조에서 피로 시험의 주요 과제 중 하나는 가변성입니다. 기존의 단조 또는 주조 재료와 달리, 적층 제조 부품은 수천 개의 증분 용융 풀 또는 층으로 만들어집니다. 레이저 출력, 스캔 전략, 필라멘트 증착, 분말 품질 또는 국부적인 열 이력과 같은 공정 매개변수의 작은 변화는 피로 성능에 불균형적인 영향을 미칠 수 있습니다.

적층 제조 폴리머 시편에 대한 연구는 시편 형상 또는 강성의 상대적으로 작은 변화가 피로 수명에서 자릿수 차이를 초래할 수 있으며, 때로는 완전히 다른 피로 집단으로 나타나기도 함을 보여주었습니다. 신중한 시험 설계 및 측정이 없으면 이러한 효과는 공정 가변성 및 응력 계산 불확실성의 조합이 아닌, 본질적인 재료 산포로 오해될 위험이 있습니다.

이는 종종 피로 데이터의 더 큰 산포와 명목상 동일한 부품 간의 차이로 이어집니다. 관찰된 차이가 시험 유발이 아닌 진정으로 재료 또는 공정 기반임을 보장하기 위해 피로 시험 시스템은 탁월한 반복성, 정렬 및 제어 안정성을 제공해야 합니다.

표면 상태 및 후처리 효과

피로 프로그램은 표면 결함이 피로 균열 발생에 미치는 지배적인 영향 때문에 제조 상태와 가공된 게이지 섹션 또는 다른 표면 및 열처리를 자주 비교합니다. 정밀 피로 시험을 통해 엔지니어는 후처리 단계의 이점을 정량화하고 자동차 생산에서 비용 대비 성능의 균형을 정보에 입각하여 결정할 수 있습니다.

다른 표면 효과를 비교할 때, 명목상의 형상이나 가정된 치수에만 의존하면 측정 및 인쇄 정확도의 불확실성으로 인해 상당한 데이터 산포가 발생할 수 있습니다. 동적 강성과 같이 시험 전반에 걸쳐 추가 지표를 모니터링할 수 있는 피로 시스템은 시험 엔지니어가 이러한 효과를 보정하여 보다 정확한 데이터 분석을 수행할 수 있도록 합니다.

| Instron 3D 프린팅 부품의 균열 발생 및 피로 특성을 고려할 때 표면 상태가 중요합니다.

Surface condition is important when considering crack initiation and fatigue properties of 3D-printed parts.

이방성 및 정렬

적층 제조 재료는 본질적으로 이방성이므로 피로 성능은 빌드 방향에 크게 의존하는 경우가 많습니다. 빌드 층에 평행하게 하중을 받는 부품은 빌드 방향을 통해 하중을 받는 부품과 매우 다르게 거동할 수 있습니다. 작은 정렬 불량도 의도치 않은 굽힘 응력을 유발할 수 있으며, 이는 고도로 이방성인 재료의 피로 결과에 불균형적으로 영향을 미칠 수 있습니다.

따라서 피로 시험 설정은 여러 방향으로 제작된 시편을 수용하고 정밀한 정렬 제어를 제공해야 합니다. 이는 자동차 적층 제조 설계에서 흔히 발견되는 서브 사이즈 시편 또는 얇은 벽 특징을 시험할 때 특히 중요합니다.

시편 크기, 형상 제약 및 대표 시험

적층 제조 재료, 특히 금속 분말은 고가이며 빌드 볼륨이 제한될 수 있습니다. 결과적으로, 자동차 피로 시험은 표준 도그본 시편 대신 서브 사이즈 시편 또는 비표준 형상 — 또는 대표적인 특징 및 부품에 직접 — 수행되는 경우가 많습니다. 또한, 부품은 응력 집중, 격자 구조, 얇은 벽 또는 통합된 특징으로 인해 형상 기반 피로 거동을 보이는 경우가 많으므로, 단순한 쿠폰 시험만으로는 사용 중 성능을 완전히 포착하지 못할 수 있습니다.

이러한 제약은 고해상도 데이터 및 서브 사이즈 및 비표준 시편 모두를 위한 특수 그립 솔루션을 포함하여 피로 시험 장비에 추가적인 요구 사항을 부과합니다. 단순 시편의 피로 시험에서 복잡한 자동차 부품의 실제 하중 조건으로 발전할 수 있는 유연한 시험 시스템은 의미 있고 응용 분야에 적합한 피로 데이터를 생성하는 데 필수적입니다.

| Instron 원료 AM 재료는 고가이므로, 설계자는 생산을 극대화하고 더 작은 부품을 만들거나 여러 제품을 단일 빌드로 결합하여 시험 비용을 절감하는 독특한 방법을 모색하게 됩니다.

Raw AM materials are costly, which pushes designers to seek unique ways of maximizing production and reduce the costs of testing by making smaller parts or combining products into a single build.

Instron이 적층 제조 자동차 부품의 피로 시험을 지원하는 방법

Instron®은 자동차 및 적층 제조 응용 분야를 모두 지원하는 광범위한 경험을 보유하고 있습니다. 당사의 피로 시험 솔루션은 초기 재료 스크리닝부터 전체 부품 내구성 시험에 이르기까지 적층 제조 재료의 고유한 과제를 해결하도록 설계되었습니다.

Instron 시스템은 다음을 가능하게 합니다:

시험 전반에 걸친 모니터링을 통한 정확한 고주기 피로 데이터
서브 사이즈 쿠폰 및 전체 자동차 부품의 신뢰할 수 있는 시험
이방성 및 결함에 민감한 재료에 대한 정밀한 정렬 및 제어

전문 응용 지원을 바탕으로 Instron은 자동차 엔지니어가 적층 제조 부품을 자신 있게 검증하는 데 신뢰할 수 있는 피로 데이터를 생성하도록 돕습니다.

엔지니어는 고품질 시험 데이터가 캡처되도록 하는 프로세스를 가속화하는 WaveMatrix3™ Review Test를 사용합니다.

결론

적층 제조가 기능성 자동차 부품으로 계속 전환됨에 따라 피로 시험은 더 이상 선택 사항이 아닙니다. 적층 제조 재료의 고유한 특성은 실제 반복 하중 하에서 내구성을 보장하기 위해 신중한 시험 설계, 정밀한 제어 및 고품질 데이터를 요구합니다.

올바른 피로 시험 전략과 견고하고 반복 가능한 시험 시스템을 결합함으로써 자동차 엔지니어는 피로 성능을 자신 있게 해석하고, 오해의 소지가 있는 결론을 피하며, 안전, 신뢰성 또는 성능을 저해하지 않고 적층 제조의 잠재력을 최대한 발휘할 수 있습니다.

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저자 소개

Rebecca Reiff-Musgrove

Rebecca Reiff-Musgrove는 Instron의 ElectroPuls® 비즈니스 개발 매니저입니다. 그녀의 배경에는 적층 제조 부품의 표면 특성에 중점을 둔 케임브리지 대학교의 MSci 학위와 적층 제조 산업을 위한 재료 시험 분야의 이전 역할이 포함됩니다. Instron에서 그녀는 다양한 기술 및 상업적 역할을 수행하며 기술과 고객 과제 모두에 대한 깊이 있는 이해를 갖게 되었습니다.