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，目前在國內(nèi)，傳統(tǒng)制造企業(yè)正開始主動(dòng)接觸這項(xiàng)技術(shù)。相較于國內(nèi)的遲緩，國外還是要超前一些。

由于一些特殊行業(yè)對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，在高溫加壓過程中會過早出現(xiàn)屈服失效的現(xiàn)象。例如，在測量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)行性能測試時(shí)，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性也無法保證，這對于本就存在一致性風(fēng)險(xiǎn)的3D打印零件測試，更是雪上加霜。

       為了準(zhǔn)確量化性能，美國空軍技術(shù)學(xué)院（AFIT）的研究人員對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，這種優(yōu)勢不僅可以用在隨形冷卻水路模具的制造方面，同時(shí)也可用來制造具有冷卻流道的夾具。

CFD模擬散熱

為了對比3D打印和傳統(tǒng)制造的MTS夾具的散熱效果，研究人員對此進(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。

通過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

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℃。在蠕變測試過程中，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。