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

來源： 安世亞太

殘余應力是當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，就是殘余應力。

殘余應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力仿真結(jié)果

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

殘余應力造成打印失敗

殘余應力產(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；
• 設計合理的零件結(jié)構(gòu)。
  

克服殘余應力的最佳方法是通過零件本身的設計盡可能多地消除殘余應力。

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院通過一個案例展示了如何通過優(yōu)化設計減少金屬打印零件的殘余應力。

原始設計在打印過程中產(chǎn)生了相當大的殘余應力，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，這會造成很大的應力。另外，尖銳的內(nèi)部拐角也會引起應力集中（或應力升高），從而可能導致零件過早失效。

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)生應力集中的風險。新結(jié)構(gòu)重量為原始支架的47%。

新設計的結(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力的累積。

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