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DfAM专栏 | 减少增材制造零件的残余应力—优化结构设计是关键!

放大字体  缩小字体 发布日期:2021-06-24 09:08:04   浏览次数:3014  
核心提示:残余应力是当物体没有外部因素作用时,在物体内部保持平衡而存在的应力。工件在制造过程中,将受到来自各种工艺等因素的作用与
       残(can)余应力是(shi)当物(wu)体(ti)(ti)没有(you)外部因(yin)(yin)素(su)作(zuo)用时,在(zai)物(wu)体(ti)(ti)内(nei)部保(bao)持(chi)平(ping)衡而(er)存在(zai)的应力。工件在(zai)制(zhi)造过程中,将受(shou)到(dao)来自各种(zhong)工艺等因(yin)(yin)素(su)的作(zuo)用与影(ying)(ying)响,当这些因(yin)(yin)素(su)消(xiao)失之后,若构(gou)件所受(shou)到(dao)的上(shang)述作(zuo)用与影(ying)(ying)响不能随之而(er)完(wan)全消(xiao)失,仍有(you)部分作(zuo)用与影(ying)(ying)响残(can)留在(zai)构(gou)件内(nei),则(ze)这种(zhong)残(can)留的作(zuo)用与影(ying)(ying)响,就是(shi)残(can)余应力。

残余应力是金属增材制造面临的最重要挑战之一,它对打印零件的影响足以使零件从基板或支撑上脱离,或使零件开裂。这也是金属增材制造零件通常需要添加支撑结构的原因之一。

增(zeng)材工(gong)(gong)艺仿真软件计算可以得(de)到(dao)残余应(ying)力结果(guo)(guo)(guo),工(gong)(gong)程技术(shu)人(ren)员根(gen)据仿真结果(guo)(guo)(guo)确定最(zui)佳摆(bai)放方向、最(zui)佳工(gong)(gong)艺参数、结果(guo)(guo)(guo)变形量等(deng)因素(su)。

 


ANSYS软件增材制造残余应力仿真结果

但是在现阶段,如何改进残余应力的分布仍然取决于设计师的经验,因此在设计增材制造的零件时,避免残余应力的想法必须时刻存在于工程师的脑海中。


残(can)余应(ying)力造成打(da)印失败

残(can)余应力(li)产生的原因有(you)很(hen)多,主要包括:

  • 零件在(zai)冷(leng)却过程中(zhong)(特别是(shi)在(zai)大块材料中(zhong))从表面到中(zhong)心存(cun)在(zai)的(de)温度梯(ti)度,其中(zhong)零件内部的(de)冷(leng)速比零件外部的(de)冷(leng)速慢(man);

  • 塑性变形(xing);

  • 材料相变。

对(dui)付残余应力通常有几(ji)种方法:

  1. 通过热处(chu)理(li)释放掉;

  2. 余热成形平台(tai)或(huo)加热成形室;

  3. 选择合适的扫描策略;

  4. 设计合理的零(ling)件结构(gou)。

克服残余应力的最佳方法是通过零件本身的设计尽可能多地消除残余应力。

具体包括(kuo):

  • 减(jian)少厚度不均匀的区域;

  • 尽(jin)量避免(mian)较大的横截面变化;

  • 增加结(jie)构本身的刚度;

  • 减(jian)少每一(yi)层的烧结面积(ji)。

新加坡淡马锡理工学院通过一个案例展示了如何通过优化设计减少金属打印零件的残余应力。

原始设计在打印过程中产生了相当大的残余应力,严重到将零件从成型平台或支撑上剥离。


原始零件(jian)


原始零件结构虽然经过了拓扑优化,但并不一定适用于金属增材工艺。零件包含较多的实心体积,又有许多厚度不均匀的地方,这会造成很大的应力。另外,尖锐的内部拐角也会引起应力集中(或应力升高),从而可能导致零件过早失效。

在抱箍的螺栓孔周围,可以去除不必要的材料,避免它们成为残余应力过大区域。并且使用肋条来增加结构的刚度,肋条的宽度为2 mm,以便在肋条与圆柱体连接处不会产生不均匀的厚度。重量也比原来减轻25%。

对于零件的主体部分,较厚的中心部分被分成3个壁厚均匀的支架,并且这些支架被设计为U型截面,所有厚度保持为3mm。此外,每个内角都做倒角处理,以避免在结合处产生应力集中的风险。新结构重量为原始支架的47%。


新设计的结构成功地以两个不同的方向进行了打印,而且打印过程中零件丝毫没有脱离成型平台或支撑。较小的部分在水平和竖直方向上进行打印,而较大的主支架在一个方向上进行打印,并且其中一个夹钳处于水平位置,另外两个夹钳都以一定角度倾斜以实现较低的打印高度。


减少在制造过程中可能积累在零件中的残余应力,也可以大大减少制造完成后对热处理的需求。

此外,可以使(shi)用(yong)不同的(de)激(ji)光(guang)扫描策略最大程度地减少残留应(ying)力的(de)累(lei)积(ji)。

 


作者(zhe)介绍
马立敏
高级工程师,安世(shi)亚太增材(cai)设(she)计首席专(zhuan)家,北(bei)京航(hang)空航(hang)天大学/中国商飞公(gong)司(si)博(bo)士后(hou)。主要研究方向为增材(cai)制造创(chuang)新设(she)计与(yu)应用,设(she)计的产(chan)品多次获得全国性学会及行业大奖,在增材(cai)制造创(chuang)新设(she)计与(yu)应用方面(mian)具有丰富的经验和独到的见解。
 
【本文仅代表(biao)作者看(kan)法,如有不同观(guan)点,欢迎添(tian)加三(san)迪时空微信公众号(微信号:sandishikong)进行讨论交流。】
 

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