殘余應(yīng)力是金屬增材制造面臨的最重要挑戰(zhàn)之一，它對打印零件的影響足以使零件從基板或支撐上脫離，或使零件開裂。這也是金屬增材制造零件通常需要添加支撐結(jié)構(gòu)的原因之一。

在設(shè)計增材制造的零件時，避免殘余應(yīng)力的想法必須時刻存在于工程師的腦海中。

殘余應(yīng)力造成打印失敗

殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因有很多，主要包括：

• 零件在冷卻過程中（特別是在大塊材料中）從表面到中心存在的溫度梯度，其中零件內(nèi)部的冷速比零件外部的冷速慢；
• 塑性變形；
• 材料相變。
  
  
  

對付殘余應(yīng)力通常有幾種方法：（1）通過熱處理釋放掉；（2）余熱成形平臺或加熱成形室；（3）選擇合適的掃描策略；（4）設(shè)計合理的零件結(jié)構(gòu)。

最佳方法是通過零件本身的設(shè)計盡可能多地消除殘余應(yīng)力。

具體包括：

• 減少厚度不均勻的區(qū)域；
• 盡量避免較大的橫截面變化；
• 增加結(jié)構(gòu)本身的剛度；
• 減少每一層的燒結(jié)面積。
  
  

新加坡淡馬錫理工學(xué)院通過一個案例展示了如何通過優(yōu)化設(shè)計減少金屬打印零件的殘余應(yīng)力。

原始設(shè)計在打印過程中產(chǎn)生了相當(dāng)大的殘余應(yīng)力，嚴(yán)重到將零件從成型平臺或支撐上剝離。

原始零件

原始零件結(jié)構(gòu)雖然經(jīng)過了拓?fù)鋬?yōu)化，但并不一定適用于金屬增材工藝。零件包含較多的實(shí)心體積，又有許多厚度不均勻的地方，這會造成很大的應(yīng)力。另外，尖銳的內(nèi)部拐角也會引起應(yīng)力集中（或應(yīng)力升高），從而可能導(dǎo)致零件過早失效。

在抱箍的螺栓孔周圍，可以去除不必要的材料，避免它們成為殘余應(yīng)力過大區(qū)域。并且使用肋條來增加結(jié)構(gòu)的剛度，肋條的寬度為2 mm，以便在肋條與圓柱體連接處不會產(chǎn)生不均勻的厚度。重量也比原來減輕25%。

對于零件的主體部分，較厚的中心部分被分成3個壁厚均勻的支架，并且這些支架被設(shè)計為U型截面，所有厚度保持為3mm。此外，每個內(nèi)角都做倒角處理，以避免在結(jié)合處產(chǎn)生應(yīng)力集中的風(fēng)險。新結(jié)構(gòu)重量為原始支架的47%。

新設(shè)計的結(jié)構(gòu)成功地以兩個不同的方向進(jìn)行了打印，而且打印過程中零件絲毫沒有脫離成型平臺或支撐。較小的部分在水平和豎直方向上進(jìn)行打印，而較大的主支架在一個方向上進(jìn)行打印，并且其中一個夾鉗處于水平位置，另外兩個夾鉗都以一定角度傾斜以實(shí)現(xiàn)較低的打印高度。

減少在制造過程中可能積累在零件中的殘余應(yīng)力，也可以大大減少制造完成后對熱處理的需求。

此外，可以使用不同的激光掃描策略最大程度地減少殘留應(yīng)力的累積。

本文內(nèi)容節(jié)選自《增材制造設(shè)計（DfAM）指南》。該書就如何面向增材工藝設(shè)計零組件以獲取成本和性能的最大收益，提供了詳盡的指南和豐富的案例，適合對增材制造技術(shù)有一定基礎(chǔ)的讀者，非常值得一讀。

來源：結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作室

殘余應(yīng)力是金屬增材制造面臨的最重要挑戰(zhàn)之一，它對打印零件的影響足以使零件從基板或支撐上脫離，或使零件開裂。這也是金屬增材制造零件通常需要添加支撐結(jié)構(gòu)的原因之一。

在設(shè)計增材制造的零件時，避免殘余應(yīng)力的想法必須時刻存在于工程師的腦海中。

殘余應(yīng)力造成打印失敗

殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因有很多，主要包括：

• 零件在冷卻過程中（特別是在大塊材料中）從表面到中心存在的溫度梯度，其中零件內(nèi)部的冷速比零件外部的冷速慢；
• 塑性變形；
• 材料相變。
  
  
  

對付殘余應(yīng)力通常有幾種方法：（1）通過熱處理釋放掉；（2）余熱成形平臺或加熱成形室；（3）選擇合適的掃描策略；（4）設(shè)計合理的零件結(jié)構(gòu)。

最佳方法是通過零件本身的設(shè)計盡可能多地消除殘余應(yīng)力。

具體包括：

• 減少厚度不均勻的區(qū)域；
• 盡量避免較大的橫截面變化；
• 增加結(jié)構(gòu)本身的剛度；
• 減少每一層的燒結(jié)面積。
  
  

新加坡淡馬錫理工學(xué)院通過一個案例展示了如何通過優(yōu)化設(shè)計減少金屬打印零件的殘余應(yīng)力。

原始設(shè)計在打印過程中產(chǎn)生了相當(dāng)大的殘余應(yīng)力，嚴(yán)重到將零件從成型平臺或支撐上剝離。

原始零件

原始零件結(jié)構(gòu)雖然經(jīng)過了拓?fù)鋬?yōu)化，但并不一定適用于金屬增材工藝。零件包含較多的實(shí)心體積，又有許多厚度不均勻的地方，這會造成很大的應(yīng)力。另外，尖銳的內(nèi)部拐角也會引起應(yīng)力集中（或應(yīng)力升高），從而可能導(dǎo)致零件過早失效。

在抱箍的螺栓孔周圍，可以去除不必要的材料，避免它們成為殘余應(yīng)力過大區(qū)域。并且使用肋條來增加結(jié)構(gòu)的剛度，肋條的寬度為2 mm，以便在肋條與圓柱體連接處不會產(chǎn)生不均勻的厚度。重量也比原來減輕25%。

對于零件的主體部分，較厚的中心部分被分成3個壁厚均勻的支架，并且這些支架被設(shè)計為U型截面，所有厚度保持為3mm。此外，每個內(nèi)角都做倒角處理，以避免在結(jié)合處產(chǎn)生應(yīng)力集中的風(fēng)險。新結(jié)構(gòu)重量為原始支架的47%。

新設(shè)計的結(jié)構(gòu)成功地以兩個不同的方向進(jìn)行了打印，而且打印過程中零件絲毫沒有脫離成型平臺或支撐。較小的部分在水平和豎直方向上進(jìn)行打印，而較大的主支架在一個方向上進(jìn)行打印，并且其中一個夾鉗處于水平位置，另外兩個夾鉗都以一定角度傾斜以實(shí)現(xiàn)較低的打印高度。

減少在制造過程中可能積累在零件中的殘余應(yīng)力，也可以大大減少制造完成后對熱處理的需求。

此外，可以使用不同的激光掃描策略最大程度地減少殘留應(yīng)力的累積。

本文內(nèi)容節(jié)選自《增材制造設(shè)計（DfAM）指南》。該書就如何面向增材工藝設(shè)計零組件以獲取成本和性能的最大收益，提供了詳盡的指南和豐富的案例，適合對增材制造技術(shù)有一定基礎(chǔ)的讀者，非常值得一讀。

來源：結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作室