殘余應(yīng)力是當(dāng)物體沒(méi)有外部因素作用時(shí)，在物體內(nèi)部保持平衡而存在的應(yīng)力。工件在制造過(guò)程中，將受到來(lái)自各種工藝等因素的作用與影響，當(dāng)這些因素消失之后，若構(gòu)件所受到的上述作用與影響不能隨之而完全消失，仍有部分作用與影響殘留在構(gòu)件內(nèi)，則這種殘留的作用與影響，就是殘余應(yīng)力。

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(duì)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(kāi)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。

增材工藝仿真軟件計(jì)算可以得到殘余應(yīng)力結(jié)果，工程技術(shù)人員根據(jù)仿真結(jié)果確定擺放方向、工藝參數(shù)、結(jié)果變形量等因素。

ANSYS軟件增材制造殘余應(yīng)力仿真結(jié)果

但是在現(xiàn)階段，如何改進(jìn)殘余應(yīng)力的分布仍然取決于設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)，因此在設(shè)計(jì)增材制造的零件時(shí)，避免殘余應(yīng)力的想法必須時(shí)刻存在于工程師的腦海中。

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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(guò)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(duì)付殘余應(yīng)力通常有幾種方法：

1. 通過(guò)熱處理釋放掉；

2. 余熱成形平臺(tái)或加熱成形室；

3. 選擇合適的掃描策略；

4. 設(shè)計(jì)合理的零件結(jié)構(gòu)。

克服殘余應(yīng)力的方法是通過(guò)零件本身的設(shè)計(jì)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(guò)一個(gè)案例展示了如何通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)減少金屬打印零件的殘余應(yīng)力。

原始設(shè)計(jì)在打印過(guò)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(tái)或支撐上剝離。

原始零件

原始零件結(jié)構(gòu)雖然經(jīng)過(guò)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(huì)造成很大的應(yīng)力。另外，尖銳的內(nèi)部拐角也會(huì)引起應(yīng)力集中（或應(yīng)力升高），從而可能導(dǎo)致零件過(guò)早失效。

在抱箍的螺栓孔周?chē)?，可以去除不必要的材料，避免它們成為殘余?yīng)力過(guò)大區(qū)域。并且使用肋條來(lái)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(huì)產(chǎn)生不均勻的厚度。重量也比原來(lái)減輕25%。

對(duì)于零件的主體部分，較厚的中心部分被分成3個(gè)壁厚均勻的支架，并且這些支架被設(shè)計(jì)為U型截面，所有厚度保持為3mm。此外，每個(gè)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(xiǎn)。新結(jié)構(gòu)重量為原始支架的47%。

新設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)成功地以兩個(gè)不同的方向進(jìn)行了打印，而且打印過(guò)程中零件絲毫沒(méi)有脫離成型平臺(tái)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(gè)方向上進(jìn)行打印，并且其中一個(gè)夾鉗處于水平位置，另外兩個(gè)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(guò)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(duì)熱處理的需求。

此外，可以使用不同的激光掃描策略減少殘留應(yīng)力的累積。