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

來源： 安世亞太

殘余應(yīng)力是當(dāng)物體沒有外部因素作用時，在物體內(nèi)部保持平衡而存在的應(yīng)力。工件在制造過程中，將受到來自各種工藝等因素的作用與影響，當(dāng)這些因素消失之后，若構(gòu)件所受到的上述作用與影響不能隨之而完全消失，仍有部分作用與影響殘留在構(gòu)件內(nèi)，則這種殘留的作用與影響，就是殘余應(yīng)力。

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。

增材工藝仿真軟件計算可以得到殘余應(yīng)力結(jié)果，工程技術(shù)人員根據(jù)仿真結(jié)果確定最佳擺放方向、最佳工藝參數(shù)、結(jié)果變形量等因素。

ANSYS軟件增材制造殘余應(yīng)力仿真結(jié)果

但是在現(xiàn)階段，如何改進殘余應(yīng)力的分布仍然取決于設(shè)計師的經(jīng)驗，因此在設(shè)計增材制造的零件時，避免殘余應(yīng)力的想法必須時刻存在于工程師的腦海中。

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。
  

對付殘余應(yīng)力通常有幾種方法：

• 通過熱處理釋放掉；
• 余熱成形平臺或加熱成形室；
• 選擇合適的掃描策略；
• 設(shè)計合理的零件結(jié)構(gòu)。
  

克服殘余應(yīng)力的最佳方法是通過零件本身的設(shè)計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)院通過一個案例展示了如何通過優(yōu)化設(shè)計減少金屬打印零件的殘余應(yīng)力。

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

原始零件

原始零件結(jié)構(gòu)雖然經(jīng)過了拓撲優(yōu)化，但并不一定適用于金屬增材工藝。零件包含較多的實心體積，又有許多厚度不均勻的地方，這會造成很大的應(yīng)力。另外，尖銳的內(nèi)部拐角也會引起應(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產(chǎn)生不均勻的厚度。重量也比原來減輕25%。

對于零件的主體部分，較厚的中心部分被分成3個壁厚均勻的支架，并且這些支架被設(shè)計為U型截面，所有厚度保持為3mm。此外，每個內(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。新結(jié)構(gòu)重量為原始支架的47%。

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

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。

作者介紹
馬立敏
高級工程師，安世亞太增材設(shè)計首席專家，北京航空航天大學(xué)/中國商飛公司博士后。主要研究方向為增材制造創(chuàng)新設(shè)計與應(yīng)用，設(shè)計的產(chǎn)品多次獲得全國性學(xué)會及行業(yè)大獎，在增材制造創(chuàng)新設(shè)計與應(yīng)用方面具有豐富的經(jīng)驗和獨到的見解。