RETO DEL CLIENTE
Los productos y componentes fabricados con procesos de fabricación aditiva a menudo tienenformas complejas con espesores de pared variables y secciones delgadas que son difíciles de someter a pruebas. Intentar crearmúltiples muestras de tamaño estándar de los materiales que se utilizan en estos productos o componentes escostoso y demanda mucho tiempo. También puede ser complicado debido a la posibilidad de que la historia térmica difiera durante la fabricación, un efecto de tamaño en el que las paredes finas en el rango de décimas de milímetro mostrarán propiedades diferentes a las de un tamaño mayor. Para evaluar las propiedades mecánicas reales del material, las muestras deben ser representativas, lo que significa que se deben extraer de un componente real, o bien fabricarse en el mismo lugar con la misma orientación y en el mismo rango de tamaño. Por todas estas razones, las pruebas con muestras pequeñas pueden proporcionar una representación más precisa de las propiedades del material.
COMTES FHT, un instituto de investigación privado de la República Checa, viene perfeccionando las técnicas de prueba de probetas pequeñas durante más de 15 años. Prof. Ing. Jan Džugan, director de I+D de COMTES FHT, creó el laboratorio de pruebas mecánicos en 2006 y los métodos de prueba para tamaños pequeños fueron el primer proyecto de investigación a largo plazo del instituto. En la actualidad, Džugan lidera los esfuerzos para implementar los requisitos de las pruebas de probetas pequeñas en las normas para las pruebas uniaxiales según la norma ASTM E28 y la fabricación aditiva según la norma ASTM F42. Su tesis supervisada de doctorado, así como muchos de sus artículos científicos secentran en la prueba de probetas pequeñas.
“Antes de hablar más sobre probetas pequeñas, sería bueno aclarar lo que eso significa para nosotros”, menciona Džugan. "Como las probetas de tamaño estándar para cada prueba son diferentes, podemos afirmar, a grandes rasgos , que el volumen de las probetas de tamaño pequeño es unas 100 veces menor". En el campo de las pruebas de tamaño pequeño existen básicamente dos grupos de pruebas: las pruebas directos con probetas reducidas o los métodos indirectos que miden alguna cantidad vinculada a las pruebas estándar mediante una correlación específica. En COMTES FHT estamos más interesados en el primer grupo de métodos de prueba”.
Las primeras investigaciones de COMTESFHT en el campo de los métodos de prueba de mini-muestras se centraron en las pruebas de pequeños punzones (SPT), con los que Džugan ya tenía experiencia. “Sin embargo, al cabo de un tiempo nos preguntamos por qué debíamos realizar pruebas SPT, cuando podíamos realizar pruebas de tracción en el mismo volumen de material”, comenta Džugan. “Esto resultó ser un cambio exitoso y desarrollamos procedimientos de prueba basándonos en la miniaturización de las probetas estándar más que en la correlación entre muestras de diferentes modos de carga y velocidades de deformación. A lo largo de losaños, nuestro equipo lo integran los siguientes científicos de investigación: El Dr. Pavel Konopík, el Dr. Eva Chvostová, el Dr. Radek Procházka, Martin Rund y Jindrich Vokac desarrollaron o adoptaron métodos de pruebapara determinar las propiedades de tracción, la temperatura de transición en función del impacto, la tenacidad a la fractura, pruebas de velocidad de crecimiento de grietas por fatiga, pruebas de fatiga de bajo y alto ciclo y pruebas de fluencia. La mayoría de estas pruebas ahora también podemos realizarlos en condiciones de prueba no ambientales”.
Aunque las técnicas de prueba de probetas pequeñas se desarrollaron originalmente para evaluar la vida útil residual en la industria energética, se hizo evidente que las técnicas basadas en muestras pequeñas eran particularmente aplicables al prueba de materiales hechos con fabricación aditiva.
REQUISITOS DE prueba
las pruebas de probetas pequeñas de materiales de fabricación aditiva presentan retos específicos que plantean algunos requisitos:
Bastidor de carga: la prueba de mini-muestras requiere bajas velocidades a tasas de deformación estándar, por lo que la estabilidad del actuador a estas velocidades tan lentas es crucial.
Medición de deformación: Los calibres mecánicos de pinza no suelen caber entre las mordazas, por lo que se prefiere la medición óptica de la deformación. COMTES FHT utiliza soluciones DIC 2 y 3D. Džugan afirma: "Para objetos planos pequeños y deformaciones bastante reducidas, el DIC 2D funciona bien y no se necesita tanta potencia de la computadora".
Alineación: La norma ASTM E1012 actual no es totalmente aplicable a la alineación de muestras de mini tracción. COMTES FHT actualmente utiliza sistemas DIC para verificar y ajustar la alineación de la probeta durante la sujeción y la carga, y espera que se necesite un mayor desarrollo del proceso para especificar parámetros representativos para la alineación de la mini muestra.
Sujeción: "Actualmente no existen mordazas comerciales para las pruebas de tracción de las mini-muestras, así que tuvimos que desarrollarlas nosotros mismos*", explica Džugan. "La sujeción adecuada es un punto crítico porque puede producirse la plastificación de la probeta, por lo que hay que hacerlo con sumo cuidado". [*Nota: Desde la primera publicación de este artículo, MTS ha desarrollado pinzas para probar este tipo de mini muestras. Las Minipinzas MTS Advantage se diseñaron para realizar pruebas rápidos y precisos de probetas extremadamente pequeñas].
SOLUCIÓN DE MTS
COMTES FHT ha estado utilizando soluciones MTS en su laboratorio desde 2006. Su primera máquina MTS fue un sistema personalizado diseñado para simular la termomecánica de los procesos de conformación de metales. Su segundo sistema MTS era un sistema especial Bionix® de alta velocidad con un actuador principal axial/torsional más un actuador lateral. Debido a su versatilidad, precisión y rendimiento, este sistema se utilizó para gran parte del desarrollo de los métodos de prueba de las mini muestras. Džugan afirma lo siguiente: "En este sistema hemos realizado pruebas de tracción tanto cuasiestáticos como dinámicos (la velocidad del actuador del sistema es superior a 1 m/s). También realizamos nuestros primeros pruebas de tracción con unidades de calentamiento inductivo y pruebas de fatiga de bajo y alto ciclo a temperatura ambiente y elevada. También utilizamos este sistema para realizar pruebas de resistencia a la fractura en mini muestras. Una vez realizada la mayor parte del desarrollo, adquirimos máquinas específicas para estas pruebas".
BENEFICIOS PARA EL CLIENTE
Las ventajas de las pruebas con probetas pequeñas de materiales de fabricación aditiva son evidentes. Las mini muestras facilitan la evaluación precisa de las propiedades locales. Las probetas pequeñas ahorran costos porque requieren menos material y un tiempo de deposición mínimo. El método de probeta pequeña también es ideal para casos en los que hay escasez de material experimental.
En la actualidad, COMTES FHT es líder en el uso de pruebas de probetas pequeñas para materiales de fabricación aditiva; y se complace en trabajar con los sistemas de prueba MTS para lograr sus objetivos de prueba. Džugan afirma lo siguiente: "Llevo más de 25 años trabajando con MTS en Europa y Asia y he tenido experiencias muy positivas, por lo que he intentado establecer una relación más estrecha con MTS en el ámbito del desarrollo. Ya tenemos una muy buena relación con los representantes locales actuales, así como con la gente de MTS en Berlín y Minneapolis. Agradezco mucho el apoyo de MTS y la estabilidad y confiabilidad de sus equipos de prueba y espero trabajar con ellos en el futuro".
