Faglig talt: Test 3D-printede metalemner korrekt - i værste fald overvurderes den faktiske bæreevne

Illustration: kenny001/bigstock

Et ph.d.-projekt på DTU har undersøgt hvordan styrken af 3D printede stål- og titaniumlegeringer afhænger af belastningsretning. En kombination af eksperimenter og computersimulationer har kunnet forklare hvorfor 3D printet titanium- og stållegeringer udviser deres hhv. højeste og laveste styrke vinkelret til printlagene.

Konstantinos Poulios er lektor på DTU Mekanik med ekspertise indenfor maskinelementer, mikromekanisk modellering af materialer, og topologioptimering. Han har været hovedvejleder til ph.d.-projektet dækket i artiklen og relaterede kandidatspecialer. Illustration: Privatfoto

3D printning er en hurtigt voksende og meget lovende teknologi som har været igennem en betydelig udvikling i de senere år. Særligt inden for metalliske komponenter er der et meget stort potentiale, men også betydelige tekniske udfordringer.

En lagvis fremstillingsproces, hvor hårtynde lag af metalpulver bliver smeltet sammen af en laser, muliggør komplicerede komponentgeometrier som hidtil ikke har kunnet produceres. Men også fra et miljømæssigt perspektiv åbner metal 3D print for vidtgående materialebesparelser som kan have en betydelig effekt på det globale ressource- og energiforbrug.

At bygge letvægt er nemlig ikke kun et spørgsmål alene om vægt eller økonomi, men også af miljømæssigt betydning.

Metal 3D print muliggør et paradigmeskift, der betyder, at komplekse letvægtskomponenter ikke længere er dyrere at fremstille end simple geometrier, tværtimod.
Produktionsomkostningerne er her hovedsageligt afgjort af materialevolumenet, næsten uafhængig af den geometriske kompleksitet.

Men et højt ambitionsniveau med hensyn til materialebesparelser gør styrken af de printede komponenter mere kritisk.

Det Innovationfondstøttede projekt AM-LINE 4.0 har bl.a. finansieret PhD projektet ”Mikromekanik af 3D printede metaller” som en del af DTUs forskningsaktiviteter inden for skabelsen af en såkaldt digital tvilling af 3D printning af metalliske komponenter.

PhD projektet fokuserede på at skabe digitale modeller af et repræsentativt udsnit af 3D printede metaller (se Figur 1) som kan benyttes til simulering af det virkelige materiales mekaniske opførsel, selv når belastningen overstiger materialets flydegrænse.

På den måde kan man med større sikkerhed forudsige styrken af 3D printede komponenter ved at tage højde for en betydeligt retningsafhængig materialestyrke. Dette forudsætter dog en dyb forståelse af materialernes indre mikrostruktur.

Figur 1: a) 3D printet komponent og mikroskopibillede af materialestruktur for titaniumlegering. b) CAD model af komponenten og repræsentativ materialemodel til simulationer med krystalplasticitet. (kilde: PhD afhandling af Kinga Somlo) Illustration: DTU

Metaller som benyttes som konstruktionsmaterialer består af korn som typisk har en størrelse mindre end 0.1 mm. Hvert korn er en krystal hvor metallets atomer er ordnet i et såkaldt gitter. Men selvom alle korn har samme enkle og veldefinerede gitterstruktur, er gitterorienteringen forskellig fra et korn til det næste.

Disse orienteringer er vigtige fordi krystallerne deformeres som en stak spillekort, hvor atomerne glider i forhold til hinanden i specifikke retninger. Når en ekstern last påvirker et metal over dets flydegrænse, sker irreversible deformationer altså hovedsageligt i korn med en særlig orientering af de såkaldte glideplaner i forhold til lasten.

I 3D printede metaller, hvor kornopbygningen er et kompliceret resultat af den lagvise fremstillingsproces, optræder visse krystalorienteringer i forhold til printningsretning oftere end andre orienteringer. At kornene ikke længere er tilfældigt orienteret er altså årsagen til retningsafhængige materialeegenskaber.

Denne såkaldte materialeanisotropi er typisk af størrelsesorden af 5-10%, hvilket vil sige at hvis man tester de printede metaller i en tilfældig retning, er der chance for at man enten under- eller overvurderer den faktiske bæreevne.

Projektets konklusioner er derfor særligt vigtige når det kommer til kvalitetssikring, fordi retningsafhængige materialeegenskaber af hensyn til sikkerhed skal måles og karakteriseres i den mest kritiske retning. Men når man kender materialets anisotropi kan man også udnytte den.

Man kan printe en komponent i en retning så materialets styrke er højst i den retning hvor den største belastning optræder. Ydermere kan anisotropien som observeres i materialetests bruges til ”reverse engineering” af materialets indre struktur.

Ved at kombinere input fra materialetests og mikroskopibilleder har ph.d.-studerende Kinga Somlo faktisk formået at udvikle modeller af materialernes mikrostruktur for to typiske 3D printede legeringer, nemlig for titanium og rustfrit stål.

De udviklede materialemodeller indeholder informationer om den statistiske fordeling af krystalorienteringer i materialernes korn, men også om krystallernes indre styrke.

Ph.d.-projektet har konkluderet at den 3D printede titaniumlegering er stærkest vinkelret på printlagenes retning, mens stållegeringen er stærkest parallelt med disse lag. Disse observationer kunne underbygges af computersimulationer.

Den grundlæggende forståelse af 3D printede materialers styrkeforhold er også af stor betydning for såkaldt virtuel testning. Her simuleres et repræsentativt udsnit (en lille terning) af materialet under et stort antal af lastkombinationer som er svære eller umulige at gennemføre eksperimentelt.

Denne omfangsrige virtuelle testning har ført til styrkemodeller som dækker komplicerede lasttilfælde langt ud over de simple eksperimentelt undersøgte belastninger, og de kan bruges til dimensionering og simulationer af virkelige komponenter.

Det er ikke kun de 3D printede materialers flydegrænse der udviser anisotropi. Revnevækst under cyklisk belastning (se Figur 2) afhænger også af revnens retning i forhold til printlagene.

Figur 2. Revnevækst på tværs af printlagene i 3D printet rustfrit stål Illustration: Attila Vural og Ashraf K.D. Sulaiman

Eksperimentelle undersøgelser på DTU har afsløret at for både titanium og rustfrit stål, vokser revner, under cyklisk belastning, mere end to gange hurtigere i et plan som står vinkelret til printlagene end i et plan parallel til printlagene.

Når man foretager brudmekanisk eksperimenter for at sikre kvaliteten er det altså vigtig at gennemføre disse i den mest kritiske retning for at sikre en konservative vurdering af materialeegenskaberne.

Denne viden om de retningsafhængige materialeegenskaber kan også udnyttes til at vælge specifikke retninger en komponent skal printes i for at minimere risikoen for vækst af revner og dermed opnå en længere livstid.

Udover at forstå og kvantificere de basale mekaniske egenskaber af 3D printede metaller, som beskrevet i denne artikel, sigter yderligere forskningsaktiviteter på DTU efter at optimere printprocessen, samt at forbedre de 3D printede komponenter gennem termiske behandlinger.