Sisältö on luettavissa myös suomeksi, valitse kieli alempana.
Designing fatigue-critical parts, particularly in the realm of additive manufacturing (AM), requires careful consideration of dynamic loading and material properties. One prominent example is the bicycle crank arm, a component that endures significant fatigue stress due to its critical role in the function of the bicycle.
AM parts often experience dynamic loading, making the fatigue properties of AM materials essential for effective design. This data is often proprietary and not publicly accessible. This poses a challenge, as fatigue data is crucial for designing critical parts. Given that AM emphasizes minimizing mass and optimizing components to their limits, understanding fatigue behavior becomes even more critical.
AM materials exhibit unique microstructures that vary within a component based on factors such as orientation (vertical, horizontal, 45 degrees), machining, and post-processing. This variability complicates the design process.
When evaluating fatigue data, the designers must consider that the microstructure in the final part does not necessarily match the initial microstructure from the manufacturing process. For example, heat treatments and hot isostatic pressing (HIP) can alter the microstructure, significantly impacting the final fatigue strength.
Ideally, designers should have access to specific fatigue data for the exact machine, material, process parameters, and post-processing techniques, including heat treatment and surface treatments.
An optimized bicycle crank arm was designed and analyzed for fatigue loading using three different materials: titanium (Ti64), aluminum (AlSi10Mg), and steel (316L). The design process was undertaken by Etteplan, while manufacturing was performed by AMEXCI, and fatigue testing by LUT University.
The target for the crank arms was 100,000 cycles. The design process began with defining the starting data, such as general material properties, fatigue data, load information, boundary conditions, and stress limits based on fatigue curves. The design was topology optimized and print process simulated, showing no risk of build failure.
At AMEXCI’s manufacturing unit, the process started with print preparation, which involved creating support structures and determining the nesting on the building plate. After detailed powder cleaning, calibration, manual support removal, and ultrasonic washing, the parts were ready for testing.
Fatigue testing was carried out by LUT University. For the steel (316L) crank arms, the performance matched the calculations, with failures occurring as predicted:
The fatigue performance of 316L matched the calculations, and the failure happened as expected.
However, the titanium (Ti64) and aluminum (AlSi10Mg) parts did not perform as predictably.
When designing these parts, sufficient fatigue data for these materials was not available. The lack of available fatigue data for these materials led to difficulties in predicting the number of cycles and failure points.
This lack of data led to overestimation of fatigue strength, resulting in excessively thin walls that did not perform as expected. This underscores the necessity of accurate fatigue data for reliable design and manufacturing in AM.
Väsymiskriittisten osien suunnittelu lisäävän valmistuksen menetelmällä vaatii tarkkaa tietoa dynaamisesta kuormituksesta ja materiaaliominaisuuksista. Esimerkkitapauksena toimii polkupyörän kampi, jonka on kestettävä huomattavaa väsymisrasitusta.
Lisäävän valmistuksen menetelmällä valmistetaan usein osia, joihin kohdistuu dynaamista kuormitusta. Siksi materiaalien väsymisominaisuudesta ovat hyvin tärkeitä suunnittelussa. Väsymistiedot ovat kuitenkin usein salaisia, eikä niitä ole julkisesti saatavilla. Niiden puute haittaa kriittisten osien suunnittelua. Kun otetaan huomioon, että lisäävässä valmistuksessa halutaan minimoida massaa ja optimoida komponentteja äärirajoille asti, väsymiskäyttäytymisen ymmärtäminen on entistäkin tärkeämpää.
Lisäävän valmistuksen materiaaleilla on ainutlaatuisia mikrorakenteita, jotka vaihtelevat komponentissa esimerkiksi orientaation (pystysuora, vaakasuora, 45 astetta), työstön ja jälkikäsittelyn perusteella. Tämä vaihtelu vaikeuttaa suunnitteluprosessia.
Suunnittelijoiden pitää ottaa väsymistietoja arvioidessa huomioon, että lopullisen osan mikrorakenne ei välttämättä vastaa valmistusprosessin alkuperäistä mikrorakennetta. Esimerkiksi lämpökäsittelyt ja kuuma isostaattinen puristus (HIP) voivat muuttaa mikrorakennetta.
Ihannetapauksessa suunnittelijoilla olisi käytössään tarkat väsymistiedot samasta koneesta, materiaalista, prosessiparametreista ja jälkikäsittelytekniikoista, kuten lämpökäsittelystä ja pintakäsittelyistä.
Optimoitu polkupyörän kampiakseli suunniteltiin ja analysoitiin väsytyskuormitusta varten kolmella eri materiaalila: titaani (Ti64), alumiini (AlSi10Mg) ja teräs (316L). Suunnittelusta vastasi Etteplan, valmistuksesta AMEXCI ja väsymistestauksesta LUT-yliopisto.
Kampivarsien kestävyystavoitteeksi asetettiin 100 000 sykliä. Suunnitteluprosessi alkoi lähtötietojen, kuten yleisten materiaaliominaisuuksien, väsymistietojen, kuormitustietojen, reunaehtojen ja väsymiskäyriin perustuvien rasitusrajojen määrittelyllä. Suunnittelu optimoitiin topologisesti ja tulostusprosessi simuloitiin, eikä siinä havaittu riskiä rakennevirheisiin.
AMEXCI:n tuotantoyksikössä tulostus valmisteltiin luomalla tukirakenteet ja määrittämällä paikat tulostuslevyllä. Yksityiskohtaisen jauhepuhdistuksen, kalibroinnin, manuaalisen tukirakeiden poistamisen ja ultraäänipesun jälkeen osat olivat valmiita testausta varten.
Kappaleen väsymistestauksen suoritti LUT-yliopisto. Teräksestä (316L) valmistettujen kampiakselien suorituskyky vastasi laskelmia ja vikaantuminen tapahtui odotetusti.
Titaani- (Ti64) ja alumiiniosat (AlSi10Mg) eivät käyttäytyneet yhtä ennakoidusti. Näistä materiaaleista ei ollut suunnitteluvaiheessa saatavilla väsymistietoja, joka johti vaikeuksiin syklien määrän ja vikaantumispisteiden ennustamisessa.
Tietojen puute johti väsymislujuuden yliarviointiin. Seinämät jäivät paikoin liian ohuiksi, eivätkä ne toimineet odotetusti. Tämä havainnollistaa, miten tärkeitä tarkat väsymistiedot ovat luotettavan suunnittelun ja valmistuksen kannalta lisäävässä valmistuksessa.
Tutustu polkupyörän kampiakselin toteutuksesta tehtyyn raporttiin (PDF, englanniksi)
