導語：專利擬解決橫向孔難題

金屬增材制造技術雖能制備形狀復雜的零部件，釋放設計自由度，但 一直是行業痛點。

由于零件擺放位置的影響，實際零部件制備中通常會存在橫向孔的成形特征，而橫向孔的孔徑會影響該區域的成形性。

一般而言，孔徑越大，成形性越差，造成最終零部件的表面質量、尺寸精度、組織性能等無法完全滿足技術要求。

如何突破這一技術瓶頸？

近日，中南大學與中國航發南方工業有限公司聯合提出了一種"增材制造橫向孔成形性高通量評價及優化方法"，該方法可以實現橫向孔極限成形尺寸的快速篩選及優化，提高模型優化效率。

高通量評價模型：一樣頂多樣

傳統方法采用分立式試樣評價不同尺寸下特征結構的成形性，這種方法需要進行大量的模型處理及分析，所需周期較長。

此外，分立式試樣無法對連續尺寸的成形性進行分析，若想提升極限成形尺寸的精度，則只能進一步增加試樣，材料及時間成本均較高。

而新方法的核心在于建立了一種孔徑沿軸向漸變的橫向孔高通量評價模型。

該模型由若干梯度段組成，孔徑沿著橫向孔的軸向逐漸變小或變大。

具體操作時，先確定希望評價的最大及最小的橫向孔孔徑，以這兩個孔徑為邊界，建立孔徑連續變化的橫向孔模型，之后將橫向孔模型分為10-20個梯度段，每個梯度段孔徑變化為1-2mm，每個梯度段之間間隔0.5mm。

五步法實現橫向孔評價與優化

該方法包含五個關鍵步驟：

第一步，建立孔徑沿軸向漸變的橫向孔高通量評價模型。

第二步，對橫向孔高通量評價模型賦予工藝參數，制備增材制造高通量試樣，并分析高通量試樣不同孔徑處成形質量是否滿足設計技術要求，確定滿足設計技術要求的極限成形孔徑。成形質量評價指標包括表面完整性、粗糙度、硬度和/或顯微組織。

第三步，將極限成形孔徑與實際待打印零部件模型的橫向孔孔徑對比，對于實際待打印孔徑小于極限成形孔徑的橫向孔，則直接采用實際待打印零部件模型進行打印，對于實際待打印孔徑大于極限成形孔徑的橫向孔，則進入優化階段。

第四步，基于實際待打印零部件模型的橫向孔孔徑，建立橫向孔高通量優化模型。

橫向孔高通量優化模型中各處的橫向孔橫截面輪廓線均由下部的圓弧段和上部的倒V形段組成，倒V形段的下部兩端分別與圓弧段的兩端連接，上端則位于優化前橫向孔的頂點位置處，圓弧段的半徑與優化前橫向孔的孔徑相等。

沿軸向截取的優化模型中，各個橫向孔截面輪廓線的圓弧段逐漸變長，倒V形段的夾角則逐漸變大。

第五步，對橫向孔高通量優化模型賦予與前述相同的工藝參數，制備增材制造高通量試樣，并分析試樣不同截面處倒V形段處的成形質量。

確定成形質量滿足設計技術要求時，倒V形段允許的最大設計夾角，以該倒V形段對應的橫向孔橫截面輪廓線作為最終零部件打印模型的橫向孔輪廓進行打印。

實驗驗證：方法有效性獲得證明

據專利信息稱，該方法在實際應用中已進行驗證。

研究人員建立了孔徑設置為1-20mm的橫向孔高通量評價模型，分為10個梯度段，每段孔徑變化為2mm，梯度段間隔0.5mm。

以GH4169合金粉末為原料，采用選區激光熔化設備制備高通量試樣，使用3組不同的掃描速度（960、1160、1360mm/s）對三個評價模型進行打印，激光功率為285W，掃描間距為0.1mm，層厚為0.04mm。

通過沿孔水平切開高通量試樣并采用三維輪廓儀觀察表面質量，研究人員發現：

掃描速度為1360mm/s的試樣在孔徑大于13.6mm時出現熔合不良，在18.1mm時出現明顯空缺；

掃描速度為1160mm/s的試樣在孔徑大于11.2mm時開始出現熔合不良，在16.8mm時出現明顯空缺；

掃描速度為960mm/s的試樣在孔徑大于8.9mm時開始出現熔合不良，并且在孔徑大于13.4mm時出現明顯空缺。

針對實際零部件中存在的20mm橫向孔（無法直接成形），研究人員建立了橫向孔優化模型并設置與前述一致的工藝參數。

將成形零件沿豎孔水平切開并觀察表面質量后發現：

掃描速度為1360mm/s的試樣在直邊段角度小于143°時具有完整的成形表面；

掃描速度為1160mm/s的試樣在直邊段角度小于120°時具有完整的成形表面；

掃描速度為960mm/s的試樣在直邊段角度小于105°時具有完整的成形表面。

基于這些結果，研究人員成功獲得了GH4169合金在不同掃描速度下的橫向孔極限成形尺寸及難成形尺寸下的優化結構。

AM易道觀點：高通量方法引領增材制造邁向高效

AM易道認為，該方法以最小加工余量為準則，通過高通量評價和優化模型，實現了對橫向孔成形性能的快速評估和優化。

相比傳統分立式試樣方法，這種方法大幅降低了材料和時間成本，為增材制造工藝及模型優化提供了更高效的解決方案。

這一技術突破對于復雜結構金屬零部件的增材制造具有重要意義，特別是對航空航天、能源等高端裝備制造領域的應用價值巨大。

隨著這類高效評價與優化方法的推廣應用，增材制造技術將進一步突破工藝限制，為復雜結構零部件的高質量制造開辟新的可能性。

未來，我們期待看到更多類似的創新方法出現，解決增材制造過程中存在的其他技術難題，推動3D打印技術在更廣泛領域的應用與發展。

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