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案例分析:金屬3D打印技術(shù)制造MTS高溫拉伸夾具

魔猴君  行業(yè)資訊   2234天前

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金屬3D打印技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域越來(lái)越深入,特別是在重工業(yè)。航空、航天、石油、化工、礦山、采礦業(yè)、模具制造等等這些重工業(yè)領(lǐng)域都是可以有很廣泛的應(yīng)用。比較成功的就是航天航空,不過(guò)我國(guó)3D打印技術(shù)發(fā)展相對(duì)較晚,在3D打印金屬這塊與國(guó)外還有不小的差距。




本期,魔猴網(wǎng)以高溫夾具的制造為例,介紹金屬3D打印技術(shù)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打印金屬的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打印金屬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)也適用于其他類似應(yīng)用。

來(lái)源:中國(guó)3D打印網(wǎng)

   
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