案例分析：SLM制造MTS高溫拉伸夾具
時間：2018-09-17 21:12 來源：3D打印技術參考 作者：中國3D打印網 閱讀：次
SLM金屬打印技術作為一項關鍵的3D打印技術，持續獲得科研界和工業界的關注，目前在國內，傳統制造企業正開始主動接觸這項技術。相較于國內的遲緩，國外還是要超前一些。本期，以高溫夾具的制造為例，介紹3D打印的在材料測試系統（MTS）中的應用。 為了準確量化性能，美國空軍技術學院（AFIT）的研究人員對MTS夾具進行了重新設計，并利用SLM技術制造，使其具有了更高的熱轉換率，減小了高溫蠕變過程中夾具的熱應力，從而降低了夾具開裂的概率。 MTS夾具優化設計 3D打印在制造具有復雜內部結構的零件方面具有優勢，這種優勢不僅可以用在隨形冷卻水路模具的制造方面，同時也可用來制造具有冷卻流道的夾具。 
起初，研究人員設計了內部直徑為3mm的三回路流道，發現過通道內粉末不易清除。經過優化，改進為直徑為5mm的單回路流道，加工方向也進行了優化，減少支撐的使用。改進后的設計粉末清除方便，也為實驗測試提供了最合適的流體環境。
CFD模擬散熱
為了對比3D打印和傳統制造的MTS夾具的散熱效果，研究人員對此進行了仿真。將兩種模型零件導入ANSYS Fluent軟件，進行基于動量、能量和連續性方程額系統焓值計算，總焓值的變化即為系統的散熱效果。
散熱效果模擬
通過比較兩種模型的溫度分布情況，發現3D打印的MTS夾具的焓值變化更高，是傳統工藝夾具的2.87倍，溫度分布也更為均勻。
MTS夾具制造
制造所采用的設備為Concept Laser M2 Cusing, 模型留有4mm的余量，用于補償與基板分離時的偏差，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，以及關鍵位置的鉆孔等。
實驗測試
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，FLIR® SC7650紅外攝像機被用于監測3D打印夾具和傳統制造夾具的熱圖像。
結果顯示，3D打印成形的夾具具有更好的熱轉換效果，傳統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
金屬3D打印隨形冷卻水路，為模具提供了更廣闊的設計空間，同時這種優勢也可應用到其他領域。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力，降低了夾具在高溫和壓力環境下開裂的可能性。為進一步提高冷卻流道的散熱能力，設計更為復雜的螺旋流道，創造湍流環境，提高熱傳換效率，這種設計也適用于其他類似應用。
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