TUS工程師開發(fā)出可預(yù)測DED修復(fù)零件性能的數(shù)值模型，為工業(yè)化應(yīng)用鋪路

導(dǎo)讀：在機(jī)器修復(fù)領(lǐng)域中，通過傳統(tǒng)的金屬3D打印技術(shù)來修復(fù)損壞的機(jī)械零件往往需要笨重的設(shè)備并造成金屬粉末的大量浪費(fèi)。盡管激光定向能量沉積（DED）技術(shù)的出現(xiàn)克服了這一挑戰(zhàn)，但真正在工業(yè)應(yīng)用中實(shí)施時(shí)還必須通過反復(fù)試驗(yàn)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(xué)大學(xué)（TUS）的工程師們開發(fā)了一個(gè)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(yīng)力分布進(jìn)行預(yù)測。

這項(xiàng)研究以題為"激光直接能量沉積修復(fù)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(guān)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(jìn)一步的調(diào)整，可以部署他們的模型以提高該技術(shù)的效率，尤其是在維修應(yīng)用中。TUS教授Masayuki Arai解釋說："使用我們的技術(shù)，金屬結(jié)構(gòu)的表面形狀可以在現(xiàn)場完全恢復(fù)，并且可以大大減少修復(fù)所需的金屬粉末的處理。然而，這一技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)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(xué)大學(xué)團(tuán)隊(duì)所開發(fā)數(shù)值模型的工作原理圖示。圖片來自東京科學(xué)大學(xué)。

DED：一種新的工業(yè)維修解決方案

正如你所期望的那樣，當(dāng)工業(yè)機(jī)械中使用的機(jī)械部件開始變薄或出現(xiàn)裂縫時(shí)，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(shù)仍需要使用笨重的設(shè)備，并且操作過程浪費(fèi)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(gè)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(xiàng)持續(xù)獲得關(guān)注的技術(shù)。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(gè)表面上，然后這個(gè)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(gè)特定的軸上，它可以被安裝在多軸機(jī)器上，并以各種角度部署。這不僅使該技術(shù)成為在維修應(yīng)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(tuán)隊(duì)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(guān)注，但它尚未在這一領(lǐng)域獲得普及性的應(yīng)用。正如TUS團(tuán)隊(duì)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(xué)大學(xué)。

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(yù)測，東京科學(xué)大學(xué)的工程師們提出了一個(gè)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(shí)現(xiàn)，其工作原理是對修復(fù)過程進(jìn)行數(shù)值模擬，并創(chuàng)建被修復(fù)區(qū)域的 "數(shù)字孿生"。

Arai教授補(bǔ)充說："熱輻射-熱傳導(dǎo)模型和粘塑性-熱塑性構(gòu)成模型被應(yīng)用于構(gòu)成沉積區(qū)域的堆積元素，因此可以忠實(shí)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(gè)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(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)其溫度歷史和應(yīng)變行為估計(jì)與他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果很一致。研究人員還證實(shí)，在沉積層中形成的殘余應(yīng)力略高于基礎(chǔ)材料的屈服強(qiáng)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(yīng)力。

利用他們的模型，研究人員估計(jì)最終有可能使DED成為一種更有效的修復(fù)技術(shù)，并通過有效的資源管理來提高其可持續(xù)性。在應(yīng)用方面，他們認(rèn)為他們的軟件可以用來修復(fù)發(fā)電廠葉片上的氣蝕變薄，以及受殘余變形影響的燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子葉片。

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

盡管尚未在能源和航空航天領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用，但DED作為這些行業(yè)的渦輪機(jī)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(gè)長期客戶已經(jīng)開始使用他們公司的3D打印技術(shù)進(jìn)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(shù)，用于美國空軍的渦輪葉片維修。

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