金屬3D打印后處理用多功能復(fù)合腔體的設(shè)計(jì)

巨智超 ，肖志玲 ，周向葵 ，余海濤

（1.安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232000；2.鄭州輕工業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450002；3.安徽省第一輕工業(yè)學(xué)校，安徽 蚌埠 233010）

3D打印技術(shù)自20世紀(jì)80年代后期提出后，經(jīng)過20多年的研究，該技術(shù)在生物醫(yī)療、航空航天、汽車、模具等諸多行業(yè)得到了飛速發(fā)展。目前，金屬零件3D打印技術(shù)成為整個(gè)3D打印體系中最為前沿和最有潛力的技術(shù)。雖然目前科研工作者在金屬3D打印技術(shù)的原理和工藝方面展開了大量研究，但是在零件的成形過程中依然存在許多問題。金屬3D打印成形過程中，高能束短暫而快速地劇烈加熱和冷卻，并伴隨復(fù)雜的物理、化學(xué)、冶金等過程，容易產(chǎn)生球化、孔隙、裂紋等缺陷，使得金屬3D打印制件出現(xiàn)相對(duì)密度低、孔隙率高、強(qiáng)度硬度低，表面粗糙度大等問題，成為該技術(shù)生產(chǎn)與應(yīng)用面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1]。

3D打印制件能否從根本上使綜合性能得到改進(jìn)提升，很大程度上取決于后處理工藝與設(shè)備。制件的致密化和均勻化問題，需要配套的熱處理工藝（熱等靜壓、開模鍛造、淬火、退火、回火、正火）及設(shè)備；表面性能的改善需要增加相應(yīng)的打磨、拋光及噴砂等改性后處理工藝及設(shè)備[2]。目前，適用于金屬3D打印后處理的設(shè)備，大多采用傳統(tǒng)的手工打磨和熱處理工藝，不僅處理工序繁多且大多適用于大批量零部件的后處理。而針對(duì)金屬3D打印技術(shù)的逐漸市場(chǎng)規(guī)模化，急需研制新型后處理設(shè)備與之相匹配。本文針對(duì)以上問題設(shè)計(jì)出一款集加熱、加壓及噴砂等為一體的復(fù)合腔體，是一種3D打印專用的小型多功能復(fù)合后處理設(shè)備。

1 復(fù)合腔體功能與設(shè)計(jì)

1.1 復(fù)合腔體的功能

多功能復(fù)合腔體集“加熱、加壓、表面噴砂”等功能于一體，逐步或同時(shí)實(shí)現(xiàn)工件的加熱、加壓和表面處理，從而減少后處理工序，實(shí)現(xiàn)后處理設(shè)備的自動(dòng)化，降低成本。復(fù)合腔體的功能簡(jiǎn)介如下：

（1）復(fù)合腔體的加熱功能可將工件加熱到調(diào)控溫度，使得金屬工件處于微小塑性變形范圍。

（2）復(fù)合腔體的加壓功能實(shí)施于加熱系統(tǒng)之后，將處于微小塑性變形范圍的金屬3D打印件施加低于6MPa的壓力，使得氣孔焊合，能夠減少或消除3D打印的孔隙缺陷，增加零件的致密化，可大大改善合金的微觀組織，從而提高合金力學(xué)性能[3]。

（3）復(fù)合腔體的噴砂功能是將石英砂在相對(duì)高壓下高速噴出，不僅能夠增加表面強(qiáng)度硬度，而且能夠除去表面的粘附顆粒，增加表面光潔度。

1.2 復(fù)合腔體的內(nèi)筒體設(shè)計(jì)計(jì)算

內(nèi)筒體是復(fù)合腔體內(nèi)主要的受力部件，故將內(nèi)筒體的設(shè)計(jì)計(jì)算作為重點(diǎn)。內(nèi)筒體采用綜合力學(xué)性能好，焊接性、冷、熱加工性能和耐蝕性能較好的16MnR材料，初步設(shè)計(jì)工作溫度為400°C左右，為了降低內(nèi)部孔隙率，增加致密度，故初步設(shè)計(jì)高溫狀態(tài)下腔體的最大設(shè)計(jì)壓力為6MPa。

內(nèi)筒體的厚度計(jì)算如下[4]：

式中：δ——筒體厚度，mm；

PC——設(shè)計(jì)壓力，MPa；

D0——圓筒外徑，mm；

[σ]t——設(shè)計(jì)溫度下圓筒材料的許用應(yīng)力，MPa；

φ——焊接接頭系數(shù)，局部無損檢測(cè)取φ值為0.85；

經(jīng)計(jì)算可得筒體壁壁厚為11.26mm，由于復(fù)合腔體內(nèi)充入的是惰性氣體，故腐蝕裕量選擇為1.2mm，經(jīng)過圓整，最終壁厚取值為13.00mm。

封頭計(jì)算厚度按公式（2）計(jì)算：式中：δh——封頭計(jì)算厚度，mm；

k——橢圓形封頭形狀系數(shù)，此處取值0.65；

pc——設(shè)計(jì)壓力，MPa；

d0——封頭外徑，mm；

[σ]t——設(shè)計(jì)溫度下封頭材料的許用應(yīng)力，MPa；

φ——焊接接頭系數(shù)[5]，取0.85。

通過公式可得封頭的計(jì)算厚度為7.36mm，腐蝕裕量選擇為1.20mm，經(jīng)過圓整，最終壁厚取值為9.00mm。

2 復(fù)合腔體的有限元模擬及分析

2.1 邊界條件的加載

表1 低合金鋼16MnR的物理特性[6]

復(fù)合腔體結(jié)構(gòu)設(shè)有內(nèi)筒體和外筒體，由于內(nèi)筒體是工作腔體，因此只對(duì)內(nèi)筒體進(jìn)行ANSYS有限元靜態(tài)力學(xué)分析。筒體上端為開口，下端設(shè)有支座，故將內(nèi)筒體的受力分析簡(jiǎn)化為下端為固定約束、上端為自由端面的簡(jiǎn)約圓筒，內(nèi)筒壁均勻受壓6MPa，加載材料物理性能如表1所示。有限元力學(xué)分析采用的兩種狀態(tài)分別為：①方案一，20℃工況下，彈性模量 2.06×10-5MPa，泊松比 μ為 0.3；②方案二，400℃工況下，彈性模量1.72×10-5MPa，泊松比μ為0.3。

2.2 結(jié)果分析

從不同溫度狀態(tài)下筒體應(yīng)力分布圖（圖1）可知，第一種室溫條件下，內(nèi)筒體的最大等效應(yīng)力為58.09MPa，安全系數(shù)[7]取值為2，經(jīng)過計(jì)算得出安全狀態(tài)下的最大等效應(yīng)力為116.18MPa＜許用應(yīng)力170MPa[8]。第二種狀態(tài)為400℃高溫條件下，最大等效應(yīng)力與第一種狀態(tài)相同，均為58.09MPa，安全系數(shù)取值為2，經(jīng)過計(jì)算得出400℃安全狀態(tài)下的最大等效應(yīng)力為116.18MPa＜許用應(yīng)力125MPa，如表2所示。由此可見，兩種狀態(tài)下的最大等效應(yīng)力均小于該溫度條件下的許用應(yīng)力。通過等效應(yīng)變圖2可以看出，內(nèi)筒體的等效應(yīng)變隨著溫度的增加而增大，最大值為0.000337，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的彈性極限，由此可見，筒體的設(shè)計(jì)符合理論要求。

圖1 不同溫度條件下的內(nèi)筒體等效應(yīng)力分布

圖2 不同溫度條件下的內(nèi)筒體等效應(yīng)變分布

表2 16MnR鋼板的許用應(yīng)力[8]

內(nèi)筒體選擇16MnR原材料，設(shè)計(jì)壁厚為13.00 mm，根據(jù)表2所示許用應(yīng)力可知，16MnR材料的許用應(yīng)力隨著鋼板的厚度和工作溫度的增加而減少，且當(dāng)溫度超過400℃時(shí)，鋼板的許用應(yīng)力值急劇下降，而內(nèi)筒體的最大等效應(yīng)力值較小變動(dòng)，因此，溫度超過400℃時(shí)，內(nèi)筒體的安全狀態(tài)下的最大等效應(yīng)力大于該溫度下的許用應(yīng)力，腔體的工作將處于非安全狀態(tài)。故設(shè)計(jì)腔體的工作溫度400℃符合筒體材料的性能要求。

通過計(jì)算內(nèi)筒體均勻施加16MPa的壓力在不同溫度下的等效應(yīng)力應(yīng)變以及不同溫度下材料的許用應(yīng)力[9-10]也可得出：復(fù)合腔體的三項(xiàng)功能，在低于400℃的工況下可以同時(shí)加熱、加壓及噴砂，當(dāng)溫度高于400℃時(shí)，加壓功能必須停止。因此可以得出400℃是該復(fù)合功能腔體工作順序調(diào)整的臨界溫度。

3 結(jié)論

金屬3D打印后處理用多功能復(fù)合腔體的設(shè)計(jì)集“加熱、加壓、表面噴砂”等功能于一體，通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出的內(nèi)筒體設(shè)計(jì)壁厚為13.00mm。通過筒體的有限元力學(xué)分析得出在低于400℃的工況下，復(fù)合腔體加熱、加壓、噴砂同時(shí)進(jìn)行，內(nèi)筒體受力均低于材料的許用應(yīng)力值，且筒體最大等效應(yīng)變?cè)谠摬牧系膹椥宰冃畏秶鷥?nèi)，故筒體的設(shè)計(jì)溫度，壓力均符合腔體的性能要求，并提出400℃是該復(fù)合多功能腔體的工作順序調(diào)整的臨界溫度。