ชิ้นส่วนอากาศยานที่ผลิตด้วยการเติมเนื้อวัสดุ: ทำไมการทดสอบการแตกหักจึงมีความสำคัญ
การทดสอบการแตกหักและการรับรองมาตรฐานมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการทำความเข้าใจผลกระทบของข้อบกพร่องและความไม่สม่ำเสมอของคุณสมบัติในแต่ละทิศทางที่เกิดจากการผลิตด้วยการเติมเนื้อวัสดุ
เขียนโดย: Rebecca Reiff-Musgrove
ชิ้นส่วนอากาศยานแทบจะไม่เกิดความเสียหายจากการรับภาระเกินกำลังแบบปกติ แต่รอยแตกมักจะเริ่มจากข้อบกพร่องขนาดเล็กและขยายตัวภายใต้ภาระงานระหว่างการใช้งานจนกระทั่งเกิดการแตกหัก ในขณะที่การผลิตโลหะด้วยการเติมเนื้อวัสดุ (AM) ยังคงเปลี่ยนผ่านจากการพัฒนาไปสู่การใช้งานใน อากาศยาน ที่มีความสำคัญต่อการบิน การทำความเข้าใจว่าวัสดุที่ผลิตด้วยการเติมเนื้อวัสดุมีพฤติกรรมอย่างไรเมื่อมีรอยตำหนิจึงเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการนำไปใช้งานอย่างปลอดภัย
ทำไมพฤติกรรมการแตกหักจึงมีความสำคัญในการผลิตอากาศยานด้วยการเติมเนื้อวัสดุ
การผลิตโลหะด้วยการเติมเนื้อวัสดุนำมาซึ่งลักษณะเฉพาะที่ส่งผลกระทบอย่างรุนแรงต่อ ความเหนียวต่อการแตกหัก:
- ความพรุนภายในและข้อบกพร่องจากการหลอมละลายไม่สมบูรณ์ซึ่งทำหน้าที่เป็นจุดเริ่มต้นของรอยแตก
- ความเค้นตกค้างจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็วในระหว่างการขึ้นรูป
- โครงสร้างจุลภาคที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกันซึ่งเกิดจากการแข็งตัวอย่างรวดเร็ว
- Anisotropy หรือความไม่สม่ำเสมอของคุณสมบัติในแต่ละทิศทาง โดยที่คุณสมบัติจะแตกต่างกันไปตามทิศทางการขึ้นรูป
แม้ว่าความแข็งแรงสถิตจะเทียบเท่ากับวัสดุที่ผ่านการแปรรูปด้วยการรีดหรือตีขึ้นรูป แต่ความเหนียวต่อการแตกหักอาจต่ำกว่าหรือมีความจำเพาะต่อทิศทางสูง การทดสอบความเหนียวต่อการแตกหักและการขยายตัวของรอยแตกจะให้ข้อมูลที่จำเป็นในการวัดปริมาณความทนทานต่อความเสียหายและกำหนดขีดจำกัดการใช้งานที่ปลอดภัย
ความท้าทายในการทดสอบที่เป็นเอกลักษณ์เฉพาะของการผลิตด้วยการเติมเนื้อวัสดุ
การทดสอบการแตกหัก ของวัสดุที่ผลิตด้วยการเติมเนื้อวัสดุนำมาซึ่งความท้าทายหลายประการ ชิ้นงานทดสอบมักมีขนาดเล็กกว่ามาตรฐานเนื่องจากต้นทุนวัสดุและปริมาตรการขึ้นรูปที่จำกัด ความต้านทานต่อรอยแตกอาจแตกต่างกันอย่างมากตามทิศทาง ทำให้การจัดแนวและการควบคุมภาระทดสอบมีความสำคัญอย่างยิ่ง นอกจากนี้ วัสดุที่พิมพ์แบบ 3 มิติมักจะแสดงการกระจายตัวของข้อมูลที่มากกว่า ซึ่งเกิดจากความผันแปรของขนาด ตำแหน่ง และสัณฐานวิทยาของข้อบกพร่อง
การทดสอบตามมาตรฐานสากลที่เข้มงวดอาจเป็นเรื่องท้าทายเมื่อใช้วิธีการผลิตแบบใหม่ วัสดุที่มีความแข็งเกร็งสูงและ “เปราะ” เมื่อเปรียบเทียบกัน เช่น อลูมิเนียมและไทเทเนียมอัลลอยด์ อาจแสดงพฤติกรรมแบบยืดหยุ่นเชิงเส้นลดลงเล็กน้อยเมื่อผลิตด้วยการเติมเนื้อวัสดุ ซึ่งอาจส่งผลต่อความถูกต้องของการประเมินความเหนียวต่อการแตกหักตามมาตรฐาน ASTM E399 แบบดั้งเดิม สิ่งนี้จะซับซ้อนยิ่งขึ้นเมื่อพิจารณาว่าชิ้นงานขนาดเล็กมักจะอยู่ที่ขีดจำกัดของข้อกำหนดด้านขนาด
ในทางกลับกัน วัสดุเช่นเหล็กกล้าผสมความแข็งแรงสูงอาจแสดงความเหนียว (Ductility) ต่ำกว่าเมื่อเทียบกับวัสดุที่ผลิตด้วยวิธีดั้งเดิม การลดลงนี้มีแนวโน้มที่จะส่งผลเสียในการทดสอบการอ้าของปลายรอยแตก (CTOD) ขั้นพื้นฐาน เช่น ISO 12135 แม้ว่าผลกระทบจะยังไม่ชัดเจนนักในวิธีการที่ประเมินความต้านทานการเริ่มเกิดรอยแตกหรือความต้านทานการฉีกขาด เช่น การวัดค่า JIc ซึ่งโดยปกติจะใช้ ASTM E1820
การขยายตัวของรอยแตกจากความล้าเป็นอีกหนึ่งประเด็นสำคัญที่น่าสนใจ แต่โดยธรรมชาติแล้วการประเมินจะมีความซับซ้อนมากกว่า ความแตกต่างเมื่อเทียบกับวัสดุที่ผลิตด้วยวิธีดั้งเดิมอาจมีความชัดเจนมากกว่า และผลลัพธ์จะไวต่อความเค้นตกค้างที่เกิดขึ้นในระหว่างกระบวนการผลิตอย่างสม่ำเสมอ
ปัจจัยเหล่านี้ต้องการระบบทดสอบการแตกหักที่มีความละเอียดของแรงและระยะขจัดที่เป็นเลิศ การควบคุมการจัดแนวที่แม่นยำ และความสามารถในการทำซ้ำสูง เพื่อให้มั่นใจว่าพฤติกรรมที่วัดได้นั้นสะท้อนถึงตัววัสดุ ไม่ใช่การตั้งค่าการทดสอบ
Instron สนับสนุนการทดสอบการแตกหักอย่างไร
Instron® มีประสบการณ์หลายทศวรรษในการสนับสนุนการทดสอบการแตกหักและความทนทานต่อความเสียหายสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมอากาศยาน ระบบทดสอบของเราเมื่อรวมกับซอฟต์แวร์ Bluehill® Fracture ได้รับการออกแบบมาเพื่อให้ตอบโจทย์ความต้องการด้านความแม่นยำ ความเสถียร และการวิเคราะห์ข้อมูลของการทดสอบกลศาสตร์การแตกหัก ตั้งแต่การคัดกรองวัสดุในระยะเริ่มต้นไปจนถึงโครงการที่มุ่งเน้นการรับรองมาตรฐาน
ระบบของ Instron ช่วยให้วิศวกรอากาศยานสามารถ:
- ดำเนินการทดสอบความเหนียวต่อการแตกหักและการขยายตัวของรอยแตกที่เชื่อถือได้บน โลหะ ที่ผลิตด้วยการเติมเนื้อวัสดุ โดยใช้ขั้นตอนการทำงานที่ผสานรวมและสอดคล้องกับมาตรฐาน
- ทดสอบชิ้นงานขนาดเล็กและรูปทรงที่ซับซ้อนได้อย่างแม่นยำด้วยเครื่องมืออัตโนมัติสำหรับการตรวจสอบความสอดคล้อง ความยาวรอยแตก และการลดรูปข้อมูลที่มีให้ใน Bluehill Fracture
- รักษาการจัดแนวที่แม่นยำและความเที่ยงตรงในการวัดสำหรับวัสดุที่มี anisotropic สูง
- สร้างข้อมูลการแตกหักและรายงานที่ทำซ้ำได้และเชื่อถือได้ พร้อมการตรวจสอบความถูกต้องในตัวที่เหมาะสมสำหรับการยื่นต่อหน่วยงานกำกับดูแลและการรับรองมาตรฐาน
บทสรุป
การผลิตด้วยการเติมเนื้อวัสดุมอบข้อได้เปรียบที่สำคัญสำหรับอุตสาหกรรมอากาศยาน แต่พฤติกรรมการแตกหักยังคงเป็นความท้าทายหลัก ด้วยการรวมการทดสอบการแตกหักที่ออกแบบมาอย่างรอบคอบเข้ากับระบบทดสอบที่แม่นยำและทำซ้ำได้ องค์กรด้านอากาศยานจะสามารถรับรองชิ้นส่วนที่ผลิตด้วยการเติมเนื้อวัสดุสำหรับการใช้งานที่มีความสำคัญต่อความปลอดภัยได้อย่างมั่นใจ ด้วย Instron วิศวกรจะได้รับข้อมูลการแตกหักที่เชื่อถือได้เพื่อนำการออกแบบที่สร้างสรรค์จากแพลตฟอร์มการขึ้นรูปไปสู่การบินจริง
สมัครรับข้อมูลข่าวสารล่าสุดจาก Instron
ติดตามเทรนด์อุตสาหกรรม มาตรฐานการทดสอบ การประยุกต์ใช้งาน เคล็ดลับและเทคนิค และอื่นๆ อีกมากมาย!
Rebecca Reiff-Musgrove
Rebecca Reiff-Musgrove เป็นผู้จัดการฝ่ายพัฒนาธุรกิจสำหรับ ElectroPuls® ที่ Instron ประวัติของเธอรวมถึงปริญญาโทด้านวิทยาศาสตร์ (MSci) จาก University of Cambridge โดยมุ่งเน้นที่สมบัติพื้นผิวของชิ้นส่วนที่ผลิตด้วยการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ รวมถึงเคยดำรงตำแหน่งในการทดสอบวัสดุสำหรับอุตสาหกรรมการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ ที่ Instron เธอได้ดำรงตำแหน่งทางเทคนิคและเชิงพาณิชย์ที่หลากหลาย ทำให้เธอมีความเข้าใจอย่างถ่องแท้ทั้งในด้านเทคโนโลยีและความท้าทายของลูกค้าที่เทคโนโลยีนี้เข้ามาแก้ไข