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減少增材制造零件的殘余應(yīng)力——優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是關(guān)鍵! 

2021-05-20 08:46
殘余應(yīng)力是金屬增材制造面臨的最重要挑戰(zhàn)之一,它對(duì)打印零件的影響足以使零件從基板或支撐上脫離,或使零件開裂。這也是金屬增材制造零件通常需要添加支撐結(jié)構(gòu)的原因之一。

在設(shè)計(jì)增材制造的零件時(shí),避免殘余應(yīng)力的想法必須時(shí)刻存在于工程師的腦海中。

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殘余應(yīng)力造成打印失敗

殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因有很多,主要包括:
  • 零件在冷卻過程中(特別是在大塊材料中)從表面到中心存在的溫度梯度,其中零件內(nèi)部的冷速比零件外部的冷速慢;
  • 塑性變形;
  • 材料相變。


對(duì)付殘余應(yīng)力通常有幾種方法:(1)通過熱處理釋放掉;(2)余熱成形平臺(tái)或加熱成形室;(3)選擇合適的掃描策略;(4)設(shè)計(jì)合理的零件結(jié)構(gòu)。

最佳方法是通過零件本身的設(shè)計(jì)盡可能多地消除殘余應(yīng)力。

具體包括:
  • 減少厚度不均勻的區(qū)域;
  • 盡量避免較大的橫截面變化;
  • 增加結(jié)構(gòu)本身的剛度;
  • 減少每一層的燒結(jié)面積。


新加坡淡馬錫理工學(xué)院通過一個(gè)案例展示了如何通過優(yōu)化設(shè)計(jì)減少金屬打印零件的殘余應(yīng)力。

原始設(shè)計(jì)在打印過程中產(chǎn)生了相當(dāng)大的殘余應(yīng)力,嚴(yán)重到將零件從成型平臺(tái)或支撐上剝離。

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原始零件

原始零件結(jié)構(gòu)雖然經(jīng)過了拓?fù)鋬?yōu)化,但并不一定適用于金屬增材工藝。零件包含較多的實(shí)心體積,又有許多厚度不均勻的地方,這會(huì)造成很大的應(yīng)力。另外,尖銳的內(nèi)部拐角也會(huì)引起應(yīng)力集中(或應(yīng)力升高),從而可能導(dǎo)致零件過早失效。

在抱箍的螺栓孔周圍,可以去除不必要的材料,避免它們成為殘余應(yīng)力過大區(qū)域。并且使用肋條來增加結(jié)構(gòu)的剛度,肋條的寬度為2 mm,以便在肋條與圓柱體連接處不會(huì)產(chǎn)生不均勻的厚度。重量也比原來減輕25%。

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對(duì)于零件的主體部分,較厚的中心部分被分成3個(gè)壁厚均勻的支架,并且這些支架被設(shè)計(jì)為U型截面,所有厚度保持為3mm。此外,每個(gè)內(nèi)角都做倒角處理,以避免在結(jié)合處產(chǎn)生應(yīng)力集中的風(fēng)險(xiǎn)。新結(jié)構(gòu)重量為原始支架的47%。

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新設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)成功地以兩個(gè)不同的方向進(jìn)行了打印,而且打印過程中零件絲毫沒有脫離成型平臺(tái)或支撐。較小的部分在水平和豎直方向上進(jìn)行打印,而較大的主支架在一個(gè)方向上進(jìn)行打印,并且其中一個(gè)夾鉗處于水平位置,另外兩個(gè)夾鉗都以一定角度傾斜以實(shí)現(xiàn)較低的打印高度。

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減少在制造過程中可能積累在零件中的殘余應(yīng)力,也可以大大減少制造完成后對(duì)熱處理的需求。

此外,可以使用不同的激光掃描策略最大程度地減少殘留應(yīng)力的累積。

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本文內(nèi)容節(jié)選自《增材制造設(shè)計(jì)(DfAM)指南》。該書就如何面向增材工藝設(shè)計(jì)零組件以獲取成本和性能的最大收益,提供了詳盡的指南和豐富的案例,適合對(duì)增材制造技術(shù)有一定基礎(chǔ)的讀者,非常值得一讀。

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來源:結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作室
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