TUS工程師開發(fā)出可預測DED修復零件性能的數(shù)值模型，為工業(yè)化應用鋪路

導讀：在機器修復領域中，通過傳統(tǒng)的金屬3D打印技術來修復損壞的機械零件往往需要笨重的設備并造成金屬粉末的大量浪費。盡管激光定向能量沉積（DED）技術的出現(xiàn)克服了這一挑戰(zhàn)，但真正在工業(yè)應用中實施時還必須通過反復試驗來確定最佳成形條件。

2023年1月13日，南極熊獲悉，為解決這一難題，來自東京科學大學（TUS）的工程師們開發(fā)了一個數(shù)值仿真模型，能夠自動生成金屬粉末沉積元素，并提前對定向能沉積（DED）成形的工藝條件、溫度分布、變形狀態(tài)和殘余應力分布進行預測。

這項研究以題為"激光直接能量沉積修復過程的三維數(shù)值模擬/Three-Dimensional Numerical Simulation of Repairing Process byLaser Direct Energy Deposition"的論文被發(fā)表在《Journalof Thermal Spray Technology》期刊上，該論文由Masayuki Arai,Toshikazu Muramatsu, Kiyohiro Ito, Taisei Izumi, and Hiroki Yokota共同撰寫。

相關論文鏈接：https://link.springer.com/article/10.1007/s11666-022-01499-6

TUS研究人員表示，隨著模擬方法的進一步的調(diào)整，可以部署他們的模型以提高該技術的效率，尤其是在維修應用中。TUS教授Masayuki Arai解釋說："使用我們的技術，金屬結(jié)構(gòu)的表面形狀可以在現(xiàn)場完全恢復，并且可以大大減少修復所需的金屬粉末的處理。然而，這一技術在工業(yè)領域的廣泛應用所需的最佳成型條件，迄今為止必須通過試錯的過程來確定。

△東京科學大學團隊所開發(fā)數(shù)值模型的工作原理圖示。圖片來自東京科學大學。

DED：一種新的工業(yè)維修解決方案

正如你所期望的那樣，當工業(yè)機械中使用的機械部件開始變薄或出現(xiàn)裂縫時，它們需要被替換成新的部件。然而，雖然3D打印已經(jīng)顯示出作為這些維修手段的潛力，但TUS的研究人員說，目前許多基于激光或電子束的3D打印技術仍需要使用笨重的設備，并且操作過程浪費金屬粉末。

也就是說，隨著工業(yè)可持續(xù)發(fā)展日益成為一個熱門話題，大量的研發(fā)工作正被投入到確定該問題的新解決方案上。作為一種工業(yè)和航空維修工具，DED是一項持續(xù)獲得關注的技術。通常情況下，DED工藝的工作過程涉及將粉末或金屬絲原料沉積到一個表面上，然后這個沉積區(qū)域被一束集中的能量源熔化。

鑒于沉積這些材料的噴嘴并不固定在一個特定的軸上，它可以被安裝在多軸機器上，并以各種角度部署。這不僅使該技術成為在維修應用中將材料沉積到現(xiàn)有表面的理想選擇，而且根據(jù)TUS團隊的說法，它還能大幅減少占地面積。

然而，盡管DED作為一種工業(yè)維修工具獲得了廣泛關注，但它尚未在這一領域獲得普及性的應用。正如TUS團隊所指出的，這在一定程度上是由于很難找到生產(chǎn)符合最終使用要求的零件的最佳參數(shù)，因此一些早期采用者被迫采取"試錯法"。

△定向能量沉積（DED）工藝。圖片來自東京科學大學。

采取數(shù)值模擬方法“鋪路”

為了使DED的3D打印結(jié)果更可預測，東京科學大學的工程師們提出了一個數(shù)字處理分析系統(tǒng)，用于自動確定構(gòu)建的最佳成型條件。該軟件通過所謂的 "死亡-出生算法"來實現(xiàn)，其工作原理是對修復過程進行數(shù)值模擬，并創(chuàng)建被修復區(qū)域的 "數(shù)字孿生"。

Arai教授補充說："熱輻射-熱傳導模型和粘塑性-熱塑性構(gòu)成模型被應用于構(gòu)成沉積區(qū)域的堆積元素，因此可以忠實地模擬金屬粉末沉積層從熔化到凝固的各種狀態(tài)變化。通過將這些模型納入有限元分析程序，我們開發(fā)了一個以前從未使用過的新加工分析系統(tǒng)，。

在測試中部署了他們的模型后，該團隊發(fā)現(xiàn)其溫度歷史和應變行為估計與他們的實驗結(jié)果很一致。研究人員還證實，在沉積層中形成的殘余應力略高于基礎材料的屈服強度，并且明顯低于堆焊（另一種工業(yè)維修工藝）期間形成的殘余應力。

利用他們的模型，研究人員估計最終有可能使DED成為一種更有效的修復技術，并通過有效的資源管理來提高其可持續(xù)性。在應用方面，他們認為他們的軟件可以用來修復發(fā)電廠葉片上的氣蝕變薄，以及受殘余變形影響的燃氣輪機轉(zhuǎn)子葉片。

△Optomec的LENS DED技術能夠在現(xiàn)有零件上沉積額外的材料，使其成為維修應用的理想選擇。照片來自Optomec公司。

盡管尚未在能源和航空航天領域大規(guī)模應用，但DED作為這些行業(yè)的渦輪機葉片的維修手段也在不斷受到重視。據(jù)透露，在2021年底Optomec的一個長期客戶已經(jīng)開始使用他們公司的3D打印技術進行渦輪葉片維修。該公司此前還獲得了50萬美元的資金，用于部署其激光工程網(wǎng)凈成形（LENS）DED技術，用于美國空軍的渦輪葉片維修。

在其他地方，在一個與TUS團隊類似的項目中，一個德國和加拿大的公司已經(jīng)著手利用人工智能實現(xiàn)維修3D打印的自動化。作為 "AI-SLAM "計劃的一部分，該團隊正在開發(fā)軟件，通過算法管理DED過程，更有效地修復受損部件的不規(guī)則表面，而無需任何人工輸入。