顶刊AM：协同优化一减少增材制造过程中的残余应力和翘曲变形

据悉，为协同优化一减少增材制造过程中的残余应力和翘曲变形，早稻田大学Akihiro Takezawa教授领导的来自日本和美国的研究组提出了AM的优化设计策略。

图来自日本和美国的研究团队提出一种变形减少策略，实现在LPBF的增材制造过程中，经过激光扫描间距的方向和晶格密度的分布的优化来实现。图片来源: Akihiro Takezawa from Waseda University, Japan

在增材制造(AM)中，金属零件通常使用一种名为“激光粉末床融合”(LPBF)的制造技术进行3D打印。LPBF使用激光热源反复快速熔化和凝固金属粉末，形成三维物体。局部高温熔融金属由于热膨胀与周围固体部分相贴合。

然而，熔融金属在凝固后产生一个负热应力，产生一个面内残余应力。随着每一层的重复形成过程，这些残余应力向上层积累，通常会导致不良影响，如分层、开裂和翘曲。而且，残余翘曲和变形的性质和规模与金属零件的尺寸是不对称的。因此，综合成型的大型金属零件，如火箭喷嘴，是极具挑战性的。

为了解决这一问题，由早稻田大学Akihiro Takezawa教授领导的来自日本和美国的研究组现提出了AM的优化设计策略。Takezawa说：“LPBF金属3D打印是近年来备受关注的焦点，但其模具零件翘曲严重。在这项研究中，我们开发了一种方法，通过同时优化制造零件的内部结构和激光扫描方向来减少残余变形。”

图来自日本和美国的研究团队提出一种变形减少策略，实现在LPBF的增材制造过程中，经过激光扫描间距的方向和晶格密度的分布的优化来实现。这一新颖的策略可以确保在制造大尺寸金属部件的时候可以显著的降低残余应力。图片来源: Akihiro Takezawa from Waseda University, Japan

在他们的研究中，包括来自美国匹兹堡大学的Qian Chen博士和Albert C. To教授在内的团队研究了如何减少残余翘曲，同时专注于分层残余堆积，并利用晶格填充分布技术。

他们采用一种称为“递推公式固有应变法”的数值方法来分析残余变形。在此过程中，他们使用基于梯度的优化算法，基于有效刚度和各向异性固有应变建模晶格。

在LPBF AM中，团队同时优化了制造过程的两个方面：激光的扫描间隔方向或者扫描的方向来实现残余应力的不对称。这样制造部件的内部结构或者晶格密度分布可以通过层层堆积的应力堆积效应来考虑。相应地，精细调制地策略可以确保协同效应地同步优化。

此外，该团队使用准2d板、3D支架和3D连杆进行了实验，以验证他们的新方法。与使用的标准基准设计相比，他们的设计策略在准2d板中减少了23-39%的垂直边缘变形。在3D支架和连杆的情况下，翘曲减少幅度在13-20%之间。

总之，本研究中提出的方法可能预示着使用LPBF制造的3D打印的显著发展。减少残余翘曲和变形是成型大型金属部件的关键。“最近金属3D打印技术的改进使生产更大的模压零件成为可能。在这种情况下，我们的方法应该能够在理想情况下实现任何大型金属零件的3D打印，”Takezawa总结道。

图1：金属LPBF零件[18]残留翘曲的照片和机构轮廓。

图2：ISM程序产生残余翘曲。

图3：熔池各向异性残余应力的轮廓。

图4：扫描间隔线的全局坐标系和局部坐标系之间的关系。

图5：设计优化方法流程图

图6：优化程序流程图。

图7：晶格的标准形状及其代表尺寸。

图8：(a)有效刚度和(b)有效体积分数[18]的近似函数。

图9：优化目标结构概要。(a)片状准二维结构。(b)支架状三维结构。(c)带有晶格填料的连杆三维结构。这些结构被分为六个虚拟层。上面的五层是填充了格子的部分层，而下面的一层对应着底板。蓝色突出显示的块最终被停用，以代表切割。连杆是通过布尔运算将连杆侧曲面几何和体素格填充整合而成的。(对于图例中关于颜色的解释，读者可参考本文的网页版本。)

图10：概述(a)准二维和(b)三维研究的扫描策略。为了消除二维研究中固有应变的剪切分量，改变了-轴对称的孵化方向。在每一层中，孵化岛的顺序是相反的，以消除其对残余应力的影响。

图11：准二维研究试件的照片及残余翘曲的测量方法。

图12：(a)测量的残余变形。黑色空心圆和红色三角形代表具有均匀孵化定向结果的均匀格，用于校准固有应变。实心黑圆和红三角代表密度分布最优、孵化方向均匀的晶格。蓝色的空心方块表示具有最佳孵化方向的均匀格子。一个纯蓝色正方形表示具有最佳密度和最佳孵化方向的晶格。(b)获得的固有应变。虚线表示它们的平均值。

图13：准二维优化的残余变形的迭代史。

图14：优化设计变量分布、零件几何形状，以及相应的凸模方向。

图15：优化设计变量的分布、相应的零件几何形状和孵化方向的Case LD选择。

图16：HO和LD案例的最优设计变量分布及相应的零件几何形状和孵化方向。括号中所示的第三层孵化方向表示适用于偶数层。

图17：虚应力的X分量的分布由C*ε计算。（a）具有均匀阴影取向（θ=π/2）的均匀密度晶格（d=0）。（b）具有最佳阴影方向的均匀晶格（d＝0）。(c) 具有均匀阴影方向（θ=0）的最佳密度网格。（c）具有均匀阴影方向（θ=π/2）的最佳密度晶格。（e）具有最佳阴影方向的最佳密度网格。

图18：变形图上竖向残余变形的最优分布其大小为2倍。（a）均匀密度晶格（d=0），具有均匀阴影取向（θ=0）。（b）具有最佳阴影方向的均匀晶格（d＝0）。(c) 具有均匀阴影方向（θ=0）的最佳密度网格。（d）具有均匀阴影方向（θ＝0）的最优密度格子。（e）具有最佳阴影方向的最佳密度网格。

图19：ISM和实验之间的最优设计残余变形的比较。

图20：三维支架优化设计变量分布、对应的零件几何形状和出模方向。

图21：（a）变形图和（b）利用ISM计算的沿指定轴的最佳均匀网格支架顶面的垂直变形图。变形图的大小为2倍。

图22：(a)预制支架试件的照片。(b)测量最佳均匀格架试件顶面沿指定轴线的垂直变形。测量点通过二次函数逼近。

图23：优化设计变量的分布、对应的零件几何形状以及三维连杆的凸模方向。

图24：三维连杆试件的研究及残余翘曲的测量方法。试件的底部被EDM切割，从左侧边缘留下4毫米。

文章来源：Akihiro Takezawa et al, Simultaneous optimization of hatching orientations and lattice density distribution for residual warpage reduction in laser powder bed fusion considering layerwise residual stress stacking, Additive Manufacturing (2022). DOI: 10.1016/j.addma.2022.103194

https://techxplore.com/news/2022-11-synergetic-optimization-residual-warpage-laser.html，Synergetic optimization for reducing residual warpage in laser powder bed fusion