看賽峰如何通過3D打印實現(xiàn)不對稱部件制造

在航空航天領(lǐng)域，3D打印技術(shù)特別適合制造精細或復(fù)雜的形狀。然而，在制造這些復(fù)雜形狀的時候需要仔細考慮構(gòu)造策略，這些策略是為了符合其尺寸公差并且為了確保其具有良好的機械強度。

根據(jù)雷尼紹的《金屬3D打印-增材制造設(shè)計指南殘留應(yīng)力設(shè)計建議》為了消除熱應(yīng)力，可以通過幾種方法來嘗試，包括：盡可能通過設(shè)計消除殘留應(yīng)力；避免大面積不間斷熔化；注意橫截面的變化；混合加工將較厚的底板整合到增材制造零件中；在應(yīng)力可能較高的位置使用較厚的加工托盤；選擇一種合適的掃描策略。

不對稱的對稱解決方案
盡管制造策略仍在發(fā)展和改進，但它們目前還不能令人滿意地獲得不對稱的部件。當通過增材制造制造這樣的部件時，經(jīng)常觀察到存在不可逆的冶金缺陷，例如，裂縫的出現(xiàn)/或尺寸缺陷，部件的某些部分不符合規(guī)定的公差。特別是由于零件的不對稱性從而導(dǎo)致的質(zhì)量差異而使得零件的某些區(qū)域中累積殘余應(yīng)力，這種殘余應(yīng)力導(dǎo)致零件變形。遺憾的是，這些缺陷通常是不可接受的，并且導(dǎo)致所制造的零部件報廢，從而導(dǎo)致相當大的損失并因此導(dǎo)致高的總制造成本。

根據(jù)市場研究，法國賽峰正在開發(fā)通過增材制造來制造不對稱零部件的方法，據(jù)了解，賽峰開發(fā)的方法包括以下步驟：
- 提供待制造部件的數(shù)字模型;
- 使模型相對于構(gòu)造方向定向;
- 通過增加犧牲平衡部分來修改模型，該犧牲平衡部分被配置成為了平衡在制造部件時出現(xiàn)的殘余應(yīng)力的用途;
- 在修改的模型基礎(chǔ)上，使用增材制造技術(shù)逐層制造出零件;
- 通過減材的制造方法切除掉犧牲部分。

根據(jù)市場研究，通過這種方法，可以在計算機輔助設(shè)計階段檢測在制造過程中累積的殘余應(yīng)力的潛在風(fēng)險，特別是部件內(nèi)的不對稱性，然后糾正模型的設(shè)計，以使其具有更規(guī)則和更好的比例，以便在制造期間使部件內(nèi)的殘余應(yīng)力得以平衡。

因此，在逐層制造期間，殘余應(yīng)力以更均勻的方式在部件內(nèi)分布：這避免了這些殘余應(yīng)力集中在部件的某些區(qū)域中，超過可能導(dǎo)致部件的臨界變形的某個閾值。

根據(jù)市場觀察，這種方法還被賽峰應(yīng)用到了具有前緣，后緣和翼型的葉片部件加工。

殘留應(yīng)力是快速加熱和冷卻的必然產(chǎn)物，這是激光粉末床熔化工藝的固有特性。每一個新的加工層都是通過如下方式構(gòu)建的：在粉末床上移動聚焦激光，熔化粉末頂層并將其與下方的一個加工層熔合。熱熔池中的熱量會傳遞至下方的固體金屬，這樣熔融的金屬就會冷卻并凝固。這一過程非常迅速，大約只有幾微秒。

新的金屬層在下層金屬的上表面凝固和冷卻時會出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，但由于受到下方固體結(jié)構(gòu)的限制，其收縮會導(dǎo)致層與層之間形成剪切力。殘留應(yīng)力具有破壞性。當我們在一個加工層頂部增加另一個加工層時，應(yīng)力隨之形成并累積，這可能導(dǎo)致零件變形，其邊緣卷起，之后可能會脫離支撐：在比較極端的情況下，應(yīng)力可能會超出零件的強度，造成組件破壞性開裂或加工托盤變形：這些效應(yīng)在具有較大橫截面的零件中最為明顯，因為此類零件往往具有較長的焊道，而且剪切力作用的距離更長。

除了賽峰所采用的增加犧牲結(jié)構(gòu)的方法，在雷尼紹的《金屬3D打印-增材制造設(shè)計指南》中詳述了改變掃描策略的方法。當采用激光軌跡填充零件中心時，通常會來回移動激光，這一過程稱之為“掃描”。通常所選擇的模式會影響掃描矢量的長度，因此也會影響可能在零件上積累的應(yīng)力水平。采用縮短掃描矢量的策略，則會相應(yīng)減少產(chǎn)生的殘留應(yīng)力。

兩種最常見的掃描策略分別是用于薄壁零件的“迂回”掃描（也稱為光柵掃描），及用于具有較厚截面的零件的“條紋”掃描�！捌灞P”或“島狀”掃描策略也同樣有效。條紋和棋盤掃描可縮短各掃描線的長度，減少殘留應(yīng)力的累積。

也可以在從一個加工層移至下一個加工層時旋轉(zhuǎn)掃描矢量的方向，這樣一來，應(yīng)力就不會全部在同一平面上集中。每層之間通常旋轉(zhuǎn)67度，以確保在加工完許多層后掃描方向才會完全重復(fù)。

來源：3D科學(xué)谷