Как тестирование материалов Astm F2792 повышает качество аддитивного производства

В быстро развивающейся области аддитивного производства (AM), обеспечение качества материала и повторяемости процесса имеет решающее значение для производства надежных, высокопроизводительных компонентов. Стандартизированные протоколы тестирования образуют основу обеспечения качества, позволяя производителям проверять свойства материала, обнаруживать дефекты и оптимизировать производственные параметры. В то время как ASTM F2792 часто упоминается в качестве основополагающего документа, важно уточнить его роль: первоначально опубликованная как Стандартная терминология для технологий аддитивного производства , она предоставила существенный словарь, который лежит в основе всей экосистемы стандартов AM. Хотя F2792 был отозван и заменен ISO / ASTM 52900, его наследие сохраняется благодаря всеобъемлющему набору стандартов ASTM, которые регулируют тестирование материалов, характеристику и квалификацию. В этой статье исследуется, как эти стандарты - вместе с концептуальной основой, установленной F2792 - повышение качества аддитивного производства в различных отраслях промышленности.

Эволюция стандартов AM: от F2792 до ISO/ASTM 52900

ASTM F2792 впервые был выпущен в 2009 году для создания общего языка аддитивного производства. В нем были определены такие термины, как «строительная платформа», «толщина слоя» и «слияние порошкового слоя», которые в настоящее время повсеместно распространены в отрасли. Стандарт был ключевым в обеспечении четкой связи между исследователями, производителями и регуляторами. В 2015 году ASTM и ISO объединили свои усилия, что привело к выпуску ISO/ASTM 52900, который заменил F2792 в качестве окончательного стандарта терминологии. Однако методы тестирования, на которые производители полагаются для обеспечения качества, регулируются отдельными, более конкретными стандартами ASTM.

Понимание этого различия имеет важное значение. Когда профессионалы отрасли ссылаются на «тестирование материалов ASTM F2792», они часто подразумевают более широкий набор стандартов ASTM, которые применяются к материалам аддитивного производства, включая металлические порошки, полимеры и керамику. Ключевыми среди них являются:

Эти стандарты содержат подробные требования к характеристике сырья, механическому тестированию и валидации конечного продукта. Они являются практическими инструментами, которые переводят терминологию F2792 в измеримые показатели качества. Для более глубокого изучения эволюции стандартов AM обратитесь к Обзору стандартов аддитивного производства ASTM и странице ISO / ASTM 52900:2021 .

Протоколы испытаний основных материалов для аддитивного производства

В то время как в оригинальной статье перечислены четыре метода тестирования в соответствии с ASTM F2792, каждый из этих методов фактически регулируется конкретными стандартами ASTM и ISO, которые применяются к материалам AM. Ниже мы подробно рассмотрим эти методы, выделив соответствующие стандарты и передовую практику.

Тестирование на растяжение

Тестирование на растяжение является наиболее фундаментальной оценкой механических свойств для материалов аддитивного производства. Он измеряет прочность на выход, максимальную прочность на растяжение, удлинение и модуль упругости. Для металлов AM стандартный метод испытаний обычно ASTM E8/E8M (Стандартные методы испытаний для испытания на растяжение металлических материалов), адаптированный для учета анизотропной природы встроенных компонентов. Ориентация направления сборки относительно оси растяжения критически влияет на результаты; поэтому стандарты, такие как ASTM F3122 , рекомендуют испытания образцов в нескольких ориентациях (например, XY, XZ, 45°).

Ключевые соображения для испытания на растяжение в AM включают:

Для полимерных материалов AM тестирование на растяжение следует ASTM D638 (Стандартный метод испытаний для свойств растяжения пластмасс), с аналогичными соображениями для ориентации слоя. Подробное руководство доступно в NIST механических рекомендаций по испытаниям для металлов AM .

Тестирование на трудность

Испытание на твердость обеспечивает быстрый, экономически эффективный показатель прочности материала и износостойкости. Для металлических деталей АМ общие методы включают:

Тестирование на твердость может выявить несоответствия в микроструктуре, возникающие в результате неоднородных тепловых историй во время печати. Например, жесткость градиента от низа до верхней части сборки может указывать на неправильные скорости охлаждения. ASTM F3122 обеспечивает основу для отображения твердости вдоль направления сборки для оценки стабильности процесса. Кроме того, для деталей термоядерного сплава порошкового слоя твердость коррелирует с пористостью и может служить в качестве предварительного скринингового теста перед более дорогой оценкой растяжения или усталости.

Микроструктурный анализ

Для AM-металлов стандартные металлографические практики из ASTM E3 (Стандартное руководство по подготовке металлографических образцов) адаптированы для учета уникальных структур затвердевания, таких как столбчатые зерна, клеточные дендриты и границы бассейна расплава. Ключевые анализы включают:

Для полимерных АМ микроструктурный анализ часто фокусируется на качестве межслойных связей и их пустотном содержании, используя оптическую микроскопию и компьютерную томографию (CT). Врожденная анизотропия деталей для изготовления сплавленной нити (FFF) требует тщательной секции и оценки ориентации. Стандартные руководства, такие как ASTM ISO/ASTM 52902 (Стандартное руководство по оценке механических свойств металлических материалов, изготовленных с помощью аддитивного производства) также включают ссылки на микроструктурную характеристику.

Оценка пористости и плотности

Пористость является критическим показателем качества, поскольку пустоты действуют как концентраторы напряжения, которые уменьшают срок службы усталости и прочность на разрыв. Для измерения пористости в компонентах АМ используется несколько стандартизированных методов:

Для сплава металлического порошкового слоя типичные цели пористости ниже 1% для критически важных аэрокосмических и медицинских применений. ASTM F2924 для Ti-6Al-4V определяет максимальную пористость 1% по площади при измерении с помощью металлографии. Стандарты характеристики порошка, такие как ASTM F3049 , также касаются влияния морфологии порошка и текучести на плотность конечной части.

Преимущества стандартизированного тестирования материалов в аддитивном производстве

Принятие дисциплинированного режима тестирования на основе стандартов ASTM и ISO дает множество преимуществ, выходящих за рамки простого соответствия. Эти преимущества ускоряют принятие AM для приложений производственного класса.

Улучшенный контроль качества и уменьшение дефектов

Стандартизированное тестирование создает измеримую базовую линию для качества материала. Выполняя оценки растяжения, твердости, микроструктуры и пористости на каждой производственной партии (или через определенные интервалы), производители могут обнаружить дрейф процесса на ранней стадии. Например, внезапное увеличение пористости, наблюдаемое через плотность Архимеда, может указывать на ухудшающуюся систему подачи порошка или изменения в калибровке мощности лазера. Статистические схемы управления процессом (SPC), построенные на этих данных, позволяют проводить активные корректировки, снижая скорость утилизации и затраты на переработку.

Кроме того, такие стандарты, как ASTM F3122, обеспечивают критерии пропуска/невыполнения, которые соответствуют требованиям заказчика. Когда много не отвечает минимальному удлинению растяжения, его можно поместить в карантин до достижения конвейера. Этот систематический подход имеет важное значение для таких отраслей, как аэрокосмическая промышленность, где одна дефектная деталь может иметь катастрофические последствия.

Соблюдение нормативных требований и сертификации

Для производителей, ориентированных на регулируемые сектора - медицинские устройства, аэрокосмическую промышленность, безопасность автомобилей - соблюдение признанных стандартов является обязательным. Управление по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) и Федеральное управление гражданской авиации (FAA) принимают стандартные методы испытаний ASTM в качестве части сертификации устройства и части. Например, имплантат бедра, изготовленный с помощью плавления электронного пучка, должен демонстрировать механические свойства на ASTM F2924 (Ti-6Al-4V) и ASTM F3001 (класс ELI). Аналогично, кронштейны самолетов должны соответствовать требованиям ASTM F3184 для нержавеющей стали.

Стандартизированное тестирование также упрощает аудит и документацию. Хорошо организованное руководство по качеству, ссылающееся на конкретные методы испытаний ASTM, дает четкие доказательства должной осмотрительности. Многие контрактные производители включают отчеты об испытаниях с каждой отправкой, что дает клиентам уверенность в родословной материала.

Оптимизация и повторяемость процессов

Данные, полученные в результате стандартизированного тестирования, неоценимы для оптимизации параметров сборки. Например, испытание на растяжение образцов, напечатанных на разных скоростях лазерного сканирования и интервалах люков, показывает окно обработки, которое максимизирует прочность при минимизации пористости. Картирование твердости по пластине сборки может идентифицировать тепловые градиенты, которые требуют регулировки температуры предварительного нагрева или ориентации деталей. Микроструктурный анализ помогает соотнести скорости охлаждения с утонченностью зерна, что позволяет конструировать текстуру для анизотропных применений.

Без строгих испытаний, вариации в химии пороховых партий, износ машины или атмосферные условия могут остаться незамеченными до окончательного осмотра. Путем встраивания стандартизированных тестовых купонов в каждую строительную работу - как рекомендовано F3122 - производители могут проверить, что каждая сборка соответствует одним и тем же спецификациям материала, независимо от машины или оператора.

Ускорение квалификации материалов и инноваций

Когда вводится новый материал, стандартизированные протоколы испытаний значительно сокращают сроки квалификации. Вместо разработки собственных тестов команды R&D могут следовать хорошо зарекомендовавшим себя методам для характеристики свойств порошка (поток, распределение размеров частиц, морфология), реакции на сборку (плотность против плотности энергии) и свойств конечной части. Это ускоряет путь от лабораторных экспериментов до производства.

Например, фреймворк, предоставляемый ASTM F3049 для характеристики порошка и ASTM F3122 для механического тестирования, создает шаблон plug-and-play для оценки любого нового металлического сплава. Это снижает риск упускать из виду критические свойства и позволяет быстрее итерацию. Такие компании, как EOS, GE Additive и SLM Solutions, регулярно публикуют данные на основе этих стандартов, способствуя общеотраслевой уверенности в новых материалах.

Промышленные приложения и тематические исследования

аэрокосмическая

Производители аэрокосмической техники полагаются на испытания ASTM для квалификации деталей AM для критически важных для полета приложений. Например, ведущий производитель двигателей внедрил испытания ASTM F3184 для топливных сопл из нержавеющей стали, достигнув снижения веса на 25% при сохранении прочности на разрыв выше 520 МПа. Оценка жесткой пористости с помощью КТ-сканирования не обеспечила пустоты, превышающие 0,5% в объеме. Стандартизированный подход позволил сертифицировать деталь в соответствии с Консультативным циркуляром FAA 20-107B.

Медицинский

Производители ортопедических имплантатов используют ASTM F2924 и ASTM F3001 для проверки деталей Ti-6Al-4V. Одна компания сократила цикл разработки для пользовательской ацетабулярной чашки с 18 месяцев до 6 месяцев, используя стандартизированные методы испытаний для характеристики порошка и механических свойств. Микроструктурный анализ через ASTM E112 обеспечил размер зерна ASTM 7 или более тонкий, что связано с улучшенной усталостной стойкостью.

автомобильный

Автомобили OEMs принимают AM для малообъемных инструментов и запасных частей. Европейский производитель автомобилей применил ASTM F3122 ] тестирование на косяк котельной для тормозов. Тестирование на растяжение в трех ориентациях подтвердило изотропное поведение в пределах ±5%, и картирование твердости на ASTM E18 не показало значительных изменений по всей конструкции. Эти данные позволили использовать деталь в серийном автомобиле без дополнительных факторов безопасности.

Будущие направления

По мере того, как аддитивное производство будет двигаться в сторону массового производства, стандарты будут продолжать развиваться. Семейство ISO/ASTM 52900 теперь включает более 30 опубликованных стандартов, охватывающих все, от руководящих принципов проектирования до постобработки. Новые области включают:

Промышленные консорциумы, такие как America Makes и ASTM F42 Committee, движут этими достижениями. Производители, которые инвестируют в стандартизированные испытания сегодня, будут иметь хорошие возможности для беспрепятственного внедрения инноваций завтрашнего дня.

Заключение

В то время как ASTM F2792 предоставила необходимый словарь для аддитивного производства, реальная работа по обеспечению качества выполняется надежной сетью стандартов тестирования материалов. Оценки прочности, твердости, микроструктуры и пористости, управляемые ASTM E8 / E8M, E18, E3, B962 и десятками других спецификаций, позволяют производителям производить детали с последовательными, предсказуемыми свойствами. Преимущества простираются от базового контроля качества до соответствия нормативным требованиям, оптимизации процессов и ускоренной квалификации материалов. Интегрируя эти стандартизированные протоколы тестирования в свои рабочие процессы, производители AM могут построить доверие с клиентами, снизить риск и раскрыть весь потенциал аддитивного производства для критических применений.