案例分析：金屬3D打印技術(shù)制造

金屬3D打印技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域越來越深入，特別是在重工業(yè)。航空、航天、石油、化工、礦山、采礦業(yè)、模具制造等等這些重工業(yè)領(lǐng)域都是可以有很廣泛的應(yīng)用。比較成功的就是航天航空，不過我國3D打印技術(shù)發(fā)展相對(duì)較晚，在3D打印金屬這塊與國外還有不小的差距。

本期，魔猴網(wǎng)以高溫夾具的制造為例，介紹金屬3D打印技術(shù)在材料測試系統(tǒng)（MTS）中的應(yīng)用。

由于一些特殊行業(yè)對(duì)材料超高溫情況下的力學(xué)性能有較高的要求，現(xiàn)有的拉伸試驗(yàn)機(jī)夾具多由金屬材料壓力加工而成，在高溫加壓過程中會(huì)過早出現(xiàn)屈服失效的現(xiàn)象。例如，在測量IN718合金的高溫蠕變性能（700℃）時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)鋼夾具很容易斷裂；再者，不穩(wěn)定的夾具在進(jìn)行性能測試時(shí)，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性也無法保證，這對(duì)于本就存在一致性風(fēng)險(xiǎn)的3D打印零件測試，更是雪上加霜。

為了準(zhǔn)確量化性能，美國空軍技術(shù)學(xué)院（AFIT）的研究人員對(duì)MTS夾具進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，并利用SLM技術(shù)制造，使其具有了更高的熱轉(zhuǎn)換率，減小了高溫蠕變過程中夾具的熱應(yīng)力，從而降低了夾具開裂的概率。

MTS夾具優(yōu)化設(shè)計(jì)

起初，研究人員設(shè)計(jì)了內(nèi)部直徑為3mm的三回路流道，發(fā)現(xiàn)過通道內(nèi)粉末不易清除。經(jīng)過優(yōu)化，改進(jìn)為直徑為5mm的單回路流道，加工方向也進(jìn)行了優(yōu)化，減少支撐的使用。改進(jìn)后的設(shè)計(jì)粉末清除方便，也為實(shí)驗(yàn)測試提供了最合適的流體環(huán)境。

CFD模擬散熱

為了對(duì)比3D打印和傳統(tǒng)制造的MTS夾具的散熱效果，研究人員對(duì)此進(jìn)行了仿真。將兩種模型零件導(dǎo)入ANSYS Fluent軟件，進(jìn)行基于動(dòng)量、能量和連續(xù)性方程額系統(tǒng)焓值計(jì)算，總焓值的變化即為系統(tǒng)的散熱效果。

散熱效果模擬

通過比較兩種模型的溫度分布情況，發(fā)現(xiàn)3D打印金屬的MTS夾具的焓值變化更高，是傳統(tǒng)工藝夾具的2.87倍，溫度分布也更為均勻。

MTS夾具制造

制造所采用的設(shè)備為Concept Laser M2 Cusing, 模型留有4mm的余量，用于補(bǔ)償與基板分離時(shí)的偏差，基板材料為鋼。打印采用孤島掃描策略，后處理過程包括線切割，表面磨削，以及關(guān)鍵位置的鉆孔等。

實(shí)驗(yàn)測試

結(jié)果顯示，3D打印金屬成形的夾具具有更好的熱轉(zhuǎn)換效果，傳統(tǒng)工藝制造的夾具冷卻過程中，平均溫度為31.7℃，而3D打印的只有27.7℃。

總結(jié)

金屬3D打印隨形冷卻水路，為模具提供了更廣闊的設(shè)計(jì)空間，同時(shí)這種優(yōu)勢也可應(yīng)用到其他領(lǐng)域。AFIT研究人員利用SLM制造的IN 718 MST夾具，在高溫蠕變測試中具有很低的熱應(yīng)力，降低了夾具在高溫和壓力環(huán)境下開裂的可能性。為進(jìn)一步提高冷卻流道的散熱能力，設(shè)計(jì)更為復(fù)雜的螺旋流道，創(chuàng)造湍流環(huán)境，提高熱傳換效率，這種設(shè)計(jì)也適用于其他類似應(yīng)用。