TUS工程師開發(fā)出可預(yù)測DED修復(fù)零件性能的數(shù)值模型,，為工業(yè)化應(yīng)用鋪路

導(dǎo)讀：在機器修復(fù)領(lǐng)域中,，通過傳統(tǒng)的金屬3D打印技術(shù)來修復(fù)損壞的機械零件往往需要笨重的設(shè)備并造成金屬粉末的大量浪費,。盡管激光定向能量沉積（DED）技術(shù)的出現(xiàn)克服了這一挑戰(zhàn)，但真正在工業(yè)應(yīng)用中實施時還必須通過反復(fù)試驗來確定最佳成形條件,。

2023年1月13日,，南極熊獲悉，為解決這一難題,，來自東京科學(xué)大學(xué)（TUS）的工程師們開發(fā)了一個數(shù)值仿真模型,，能夠自動生成金屬粉末沉積元素,，并提前對定向能沉積（DED）成形的工藝條件、溫度分布,、變形狀態(tài)和殘余應(yīng)力分布進(jìn)行預(yù)測,。

這項研究以題為"激光直接能量沉積修復(fù)過程的三維數(shù)值模擬/Three-Dimensional Numerical Simulation of Repairing Process byLaser Direct Energy Deposition"的論文被發(fā)表在《Journalof Thermal Spray Technology》期刊上，該論文由Masayuki Arai,Toshikazu Muramatsu, Kiyohiro Ito, Taisei Izumi, and Hiroki Yokota共同撰寫,。

相關(guān)論文鏈接：https://link.springer.com/article/10.1007/s11666-022-01499-6

TUS研究人員表示,，隨著模擬方法的進(jìn)一步的調(diào)整，可以部署他們的模型以提高該技術(shù)的效率,，尤其是在維修應(yīng)用中,。TUS教授Masayuki Arai解釋說："使用我們的技術(shù)，金屬結(jié)構(gòu)的表面形狀可以在現(xiàn)場完全恢復(fù),，并且可以大大減少修復(fù)所需的金屬粉末的處理,。然而，這一技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用所需的最佳成型條件,，迄今為止必須通過試錯的過程來確定,。

△東京科學(xué)大學(xué)團隊所開發(fā)數(shù)值模型的工作原理圖示。圖片來自東京科學(xué)大學(xué),。

DED：一種新的工業(yè)維修解決方案

正如你所期望的那樣,，當(dāng)工業(yè)機械中使用的機械部件開始變薄或出現(xiàn)裂縫時，它們需要被替換成新的部件,。然而,，雖然3D打印已經(jīng)顯示出作為這些維修手段的潛力，但TUS的研究人員說,，目前許多基于激光或電子束的3D打印技術(shù)仍需要使用笨重的設(shè)備,，并且操作過程浪費金屬粉末。

也就是說,，隨著工業(yè)可持續(xù)發(fā)展日益成為一個熱門話題,，大量的研發(fā)工作正被投入到確定該問題的新解決方案上。作為一種工業(yè)和航空維修工具,，DED是一項持續(xù)獲得關(guān)注的技術(shù),。通常情況下，DED工藝的工作過程涉及將粉末或金屬絲原料沉積到一個表面上,，然后這個沉積區(qū)域被一束集中的能量源熔化,。

鑒于沉積這些材料的噴嘴并不固定在一個特定的軸上，它可以被安裝在多軸機器上,，并以各種角度部署,。這不僅使該技術(shù)成為在維修應(yīng)用中將材料沉積到現(xiàn)有表面的理想選擇，而且根據(jù)TUS團隊的說法,，它還能大幅減少占地面積,。

然而，盡管DED作為一種工業(yè)維修工具獲得了廣泛關(guān)注,，但它尚未在這一領(lǐng)域獲得普及性的應(yīng)用,。正如TUS團隊所指出的，這在一定程度上是由于很難找到生產(chǎn)符合最終使用要求的零件的最佳參數(shù),，因此一些早期采用者被迫采取"試錯法",。

△定向能量沉積（DED）工藝。圖片來自東京科學(xué)大學(xué),。

采取數(shù)值模擬方法“鋪路”

為了使DED的3D打印結(jié)果更可預(yù)測,，東京科學(xué)大學(xué)的工程師們提出了一個數(shù)字處理分析系統(tǒng)，用于自動確定構(gòu)建的最佳成型條件,。該軟件通過所謂的 "死亡-出生算法"來實現(xiàn),，其工作原理是對修復(fù)過程進(jìn)行數(shù)值模擬，并創(chuàng)建被修復(fù)區(qū)域的 "數(shù)字孿生",。

Arai教授補充說："熱輻射-熱傳導(dǎo)模型和粘塑性-熱塑性構(gòu)成模型被應(yīng)用于構(gòu)成沉積區(qū)域的堆積元素,，因此可以忠實地模擬金屬粉末沉積層從熔化到凝固的各種狀態(tài)變化。通過將這些模型納入有限元分析程序,，我們開發(fā)了一個以前從未使用過的新加工分析系統(tǒng),，。

在測試中部署了他們的模型后,，該團隊發(fā)現(xiàn)其溫度歷史和應(yīng)變行為估計與他們的實驗結(jié)果很一致,。研究人員還證實，在沉積層中形成的殘余應(yīng)力略高于基礎(chǔ)材料的屈服強度,，并且明顯低于堆焊（另一種工業(yè)維修工藝）期間形成的殘余應(yīng)力,。

利用他們的模型，研究人員估計最終有可能使DED成為一種更有效的修復(fù)技術(shù),，并通過有效的資源管理來提高其可持續(xù)性,。在應(yīng)用方面，他們認(rèn)為他們的軟件可以用來修復(fù)發(fā)電廠葉片上的氣蝕變薄,，以及受殘余變形影響的燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)子葉片,。

△Optomec的LENS DED技術(shù)能夠在現(xiàn)有零件上沉積額外的材料，使其成為維修應(yīng)用的理想選擇,。照片來自O(shè)ptomec公司,。

盡管尚未在能源和航空航天領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用，但DED作為這些行業(yè)的渦輪機葉片的維修手段也在不斷受到重視,。據(jù)透露,，在2021年底Optomec的一個長期客戶已經(jīng)開始使用他們公司的3D打印技術(shù)進(jìn)行渦輪葉片維修。該公司此前還獲得了50萬美元的資金,，用于部署其激光工程網(wǎng)凈成形（LENS）DED技術(shù),，用于美國空軍的渦輪葉片維修,。

在其他地方，在一個與TUS團隊類似的項目中,，一個德國和加拿大的公司已經(jīng)著手利用人工智能實現(xiàn)維修3D打印的自動化,。作為 "AI-SLAM "計劃的一部分，該團隊正在開發(fā)軟件,，通過算法管理DED過程,，更有效地修復(fù)受損部件的不規(guī)則表面，而無需任何人工輸入,。