案例分析∣SLM制造MTS高溫拉伸夾具

SLM金屬打印技術(shù)作為一項(xiàng)關(guān)鍵的3D打印技術(shù)，持續(xù)獲得科研界和工業(yè)界的關(guān)注，目前在國(guó)內(nèi)，傳統(tǒng)制造企業(yè)正開(kāi)始主動(dòng)接觸這項(xiàng)技術(shù)。相較于國(guó)內(nèi)的遲緩，國(guó)外還是要超前一些。本期，以高溫夾具的制造為例，介紹3D打印的在材料測(cè)試系統(tǒng)（MTS）中的應(yīng)用。

由于一些特殊行業(yè)對(duì)材料超高溫情況下的力學(xué)性能有較高的要求，現(xiàn)有的拉伸試驗(yàn)機(jī)夾具多由金屬材料壓力加工而成，在高溫加壓過(guò)程中會(huì)過(guò)早出現(xiàn)屈服失效的現(xiàn)象。例如，在測(cè)量IN718合金的高溫蠕變性能（700℃）時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)鋼夾具很容易斷裂；再者，不穩(wěn)定的夾具在進(jìn)行性能測(cè)試時(shí)，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性也無(wú)法保證，這對(duì)于本就存在一致性風(fēng)險(xiǎn)的3D打印零件測(cè)試，更是雪上加霜。

為了準(zhǔn)確量化性能，美國(guó)空軍技術(shù)學(xué)院（AFIT）的研究人員對(duì)MTS夾具進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，并利用SLM技術(shù)制造，使其具有了更高的熱轉(zhuǎn)換率，減小了高溫蠕變過(guò)程中夾具的熱應(yīng)力，從而降低了夾具開(kāi)裂的概率。

MTS夾具優(yōu)化設(shè)計(jì)
3D打印在制造具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的零件方面具有優(yōu)勢(shì)，這種優(yōu)勢(shì)不僅可以用在隨形冷卻水路模具的制造方面，同時(shí)也可用來(lái)制造具有冷卻流道的夾具。

起初，研究人員設(shè)計(jì)了內(nèi)部直徑為3mm的三回路流道，發(fā)現(xiàn)過(guò)通道內(nèi)粉末不易清除。經(jīng)過(guò)優(yōu)化，改進(jìn)為直徑為5mm的單回路流道，加工方向也進(jìn)行了優(yōu)化，減少支撐的使用。改進(jìn)后的設(shè)計(jì)粉末清除方便，也為實(shí)驗(yàn)測(cè)試提供了最合適的流體環(huán)境。

CFD模擬散熱

為了對(duì)比3D打印和傳統(tǒng)制造的MTS夾具的散熱效果，研究人員對(duì)此進(jìn)行了仿真。將兩種模型零件導(dǎo)入ANSYS Fluent軟件，進(jìn)行基于動(dòng)量、能量和連續(xù)性方程額系統(tǒng)焓值計(jì)算，總焓值的變化即為系統(tǒng)的散熱效果。

散熱效果模擬

通過(guò)比較兩種模型的溫度分布情況，發(fā)現(xiàn)3D打印的MTS夾具的焓值變化更高，是傳統(tǒng)工藝夾具的2.87倍，溫度分布也更為均勻。

MTS夾具制造

制造所采用的設(shè)備為Concept Laser M2 Cusing, 模型留有4mm的余量，用于補(bǔ)償與基板分離時(shí)的偏差，基板材料為鋼。打印采用孤島掃描策略，后處理過(guò)程包括線切割，表面磨削，以及關(guān)鍵位置的鉆孔等。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試

AFIT研究人員將SLM成形的MTS夾具安裝于22 KIP 810 MTS®，去離子水作為冷卻劑，流速為13.5mL/sec，冷卻劑溫度為22℃，夾緊壓力為6.8 MPa，拉力為1000N，蠕變溫度為700℃。在蠕變測(cè)試過(guò)程中，金屬夾具表面涂覆Aeroglaze Z306，F(xiàn)LIR® SC7650紅外攝像機(jī)被用于監(jiān)測(cè)3D打印夾具和傳統(tǒng)制造夾具的熱圖像。

結(jié)果顯示，3D打印成形的夾具具有更好的熱轉(zhuǎn)換效果，傳統(tǒng)工藝制造的夾具冷卻過(guò)程中，平均溫度為31.7℃，而3D打印的只有27.7℃。

總結(jié)

金屬3D打印隨形冷卻水路，為模具提供了更廣闊的設(shè)計(jì)空間，同時(shí)這種優(yōu)勢(shì)也可應(yīng)用到其他領(lǐng)域。AFIT研究人員利用SLM制造的IN 718 MST夾具，在高溫蠕變測(cè)試中具有很低的熱應(yīng)力，降低了夾具在高溫和壓力環(huán)境下開(kāi)裂的可能性。為進(jìn)一步提高冷卻流道的散熱能力，設(shè)計(jì)更為復(fù)雜的螺旋流道，創(chuàng)造湍流環(huán)境，提高熱傳換效率，這種設(shè)計(jì)也適用于其他類(lèi)似應(yīng)用。

來(lái)源：3D打印技術(shù)參考