看賽峰如何通過3D打印實(shí)現(xiàn)不對(duì)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(xì)或復(fù)雜的形狀。然而，在制造這些復(fù)雜形狀的時(shí)候需要仔細(xì)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(jī)械強(qiáng)度。

根據(jù)雷尼紹的《金屬3D打印-增材制造設(shè)計(jì)指南殘留應(yīng)力設(shè)計(jì)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(jì)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(duì)稱的對(duì)稱解決方案
盡管制造策略仍在發(fā)展和改進(jìn)，但它們目前還不能令人滿意地獲得不對(duì)稱的部件。當(dāng)通過增材制造制造這樣的部件時(shí)，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(duì)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(bào)廢，從而導(dǎo)致相當(dāng)大的損失并因此導(dǎo)致高的總制造成本。

根據(jù)市場(chǎng)研究，法國(guó)賽峰正在開發(fā)通過增材制造來制造不對(duì)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(duì)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(shí)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(chǎng)研究，通過這種方法，可以在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)階段檢測(cè)在制造過程中累積的殘余應(yīng)力的潛在風(fēng)險(xiǎn)，特別是部件內(nèi)的不對(duì)稱性，然后糾正模型的設(shè)計(jì)，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(gè)閾值。

根據(jù)市場(chǎng)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(gè)新的加工層都是通過如下方式構(gòu)建的：在粉末床上移動(dòng)聚焦激光，熔化粉末頂層并將其與下方的一個(gè)加工層熔合。熱熔池中的熱量會(huì)傳遞至下方的固體金屬，這樣熔融的金屬就會(huì)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(shí)會(huì)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(huì)導(dǎo)致層與層之間形成剪切力。殘留應(yīng)力具有破壞性。當(dāng)我們?cè)谝粋�(gè)加工層頂部增加另一個(gè)加工層時(shí)，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(huì)脫離支撐：在比較極端的情況下，應(yīng)力可能會(huì)超出零件的強(qiáng)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?yàn)榇祟惲慵�往往具有較長(zhǎng)的焊道，而且剪切力作用的距離更長(zhǎng)。

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(jì)指南》中詳述了改變掃描策略的方法。當(dāng)采用激光軌跡填充零件中心時(shí)，通常會(huì)來回移動(dòng)激光，這一過程稱之為“掃描”。通常所選擇的模式會(huì)影響掃描矢量的長(zhǎng)度，因此也會(huì)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(huì)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(zhǎng)度，減少殘留應(yīng)力的累積。

也可以在從一個(gè)加工層移至下一個(gè)加工層時(shí)旋轉(zhuǎn)掃描矢量的方向，這樣一來，應(yīng)力就不會(huì)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(huì)完全重復(fù)。

來源：3D科學(xué)谷