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案例分析:SLM制造MTS高温拉伸夹具

时间:2018-09-17 21:12 来源:3D打印技术参考 作者:ca88亚洲城_ca88亚洲城官网_ca88亚洲城官网【首页】 阅读:
极光尔沃
       SLM金属打印技术作为一项关键的3D打印技术,持续获得科研界和工业界的关注,目前在国内,传统制造企业正开始主动接触这项技术。相较于国内的迟缓,国外还是要超前一些。本期,以高温夹具的制造为例,介绍3D打印的在材料测试系统(MTS)中的应用。
 
     由于一些特殊行业对材料超高温情况下的力学性能有较高的要求,现有的拉伸试验机夹具多由金属材料压力加工而成,在高温加压过程中会过早出现屈服失效的现象。例如,在测量IN718合金的高温蠕变性能(700℃)时,标准钢夹具很容易断裂;再者,不稳定的夹具在进行性能测试时,数据的准确性和一致性也无法保证,这对于本就存在一致性风险的3D打印零件测试,更是雪上加霜。

    为了准确量化性能,美国空军技术学院(AFIT)的研究人员对MTS夹具进行了重新设计,并利用SLM技术制造,使其具有了更高的热转换率,减小了高温蠕变过程中夹具的热应力,从而降低了夹具开裂的概率。

MTS夹具优化设计
      3D打印在制造具有复杂内部结构的零件方面具有优势,这种优势不仅可以用在随形冷却水路模具的制造方面,同时也可用来制造具有冷却流道的夹具。






     起初,研究人员设计了内部直径为3mm的三回路流道,发现过通道内粉末不易清除。经过优化,改进为直径为5mm的单回路流道,加工方向也进行了优化,减少支撑的使用。改进后的设计粉末清除方便,也为实验测试提供了最合适的流体环境。

CFD模拟散热
       为了对比3D打印和传统制造的MTS夹具的散热效果,研究人员对此进行了仿真。将两种模型零件导入ANSYS Fluent软件,进行基于动量、能量和连续性方程额系统焓值计算,总焓值的变化即为系统的散热效果。

 
散热效果模拟
通过比较两种模型的温度分布情况,发现3D打印的MTS夹具的焓值变化更高,是传统工艺夹具的2.87倍,温度分布也更为均匀。

MTS夹具制造
       制造所采用的设备为Concept Laser M2 Cusing, 模型留有4mm的余量,用于补偿与基板分离时的偏差,基板材料为钢。打印采用孤岛扫描策略,后处理过程包括线切割,表面磨削,以及关键位置的钻孔等。


实验测试
AFIT研究人员将SLM成形的MTS夹具安装于22 KIP 810 MTS®,去离子水作为冷却剂,流速为13.5mL/sec,冷却剂温度为22℃,夹紧压力为6.8 MPa,拉力为1000N,蠕变温度为700℃。在蠕变测试过程中,金属夹具表面涂覆Aeroglaze Z306,FLIR® SC7650红外摄像机被用于监测3D打印夹具和传统制造夹具的热图像。


       结果显示,3D打印成形的夹具具有更好的热转换效果,传统工艺制造的夹具冷却过程中,平均温度为31.7℃,而3D打印的只有27.7℃。

总结
       金属3D打印随形冷却水路,为模具提供了更广阔的设计空间,同时这种优势也可应用到其他领域。AFIT研究人员利用SLM制造的IN 718 MST夹具,在高温蠕变测试中具有很低的热应力,降低了夹具在高温和压力环境下开裂的可能性。为进一步提高冷却流道的散热能力,设计更为复杂的螺旋流道,创造湍流环境,提高热传换效率,这种设计也适用于其他类似应用。

(责任编辑:ca88亚洲城_ca88亚洲城官网_ca88亚洲城官网【首页】)
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