案例分析：金属3D打印技术制造

金属3D打印技术应用的领域越来越深入，特别是在重工业。航空、航天、石油、化工、矿山、采矿业、模具制造等等这些重工业领域都是可以有很广泛的应用。比较成功的就是航天航空，不过我国3D打印技术发展相对较晚，在3D打印金属这块与国外还有不小的差距。

本期，魔猴网以高温夹具的制造为例，介绍金属3D打印技术在材料测试系统（MTS）中的应用。

由于一些特殊行业对材料超高温情况下的力学性能有较高的要求，现有的拉伸试验机夹具多由金属材料压力加工而成，在高温加压过程中会过早出现屈服失效的现象。例如，在测量IN718合金的高温蠕变性能（700℃）时，标准钢夹具很容易断裂；再者，不稳定的夹具在进行性能测试时，数据的准确性和一致性也无法保证，这对于本就存在一致性风险的3D打印零件测试，更是雪上加霜。

为了准确量化性能，美国空军技术学院（AFIT）的研究人员对MTS夹具进行了重新设计，并利用SLM技术制造，使其具有了更高的热转换率，减小了高温蠕变过程中夹具的热应力，从而降低了夹具开裂的概率。

MTS夹具优化设计

起初，研究人员设计了内部直径为3mm的三回路流道，发现过通道内粉末不易清除。经过优化，改进为直径为5mm的单回路流道，加工方向也进行了优化，减少支撑的使用。改进后的设计粉末清除方便，也为实验测试提供了最合适的流体环境。

CFD模拟散热

为了对比3D打印和传统制造的MTS夹具的散热效果，研究人员对此进行了仿真。将两种模型零件导入ANSYS Fluent软件，进行基于动量、能量和连续性方程额系统焓值计算，总焓值的变化即为系统的散热效果。

散热效果模拟

通过比较两种模型的温度分布情况，发现3D打印金属的MTS夹具的焓值变化更高，是传统工艺夹具的2.87倍，温度分布也更为均匀。

MTS夹具制造

制造所采用的设备为Concept Laser M2 Cusing, 模型留有4mm的余量，用于补偿与基板分离时的偏差，基板材料为钢。打印采用孤岛扫描策略，后处理过程包括线切割，表面磨削，以及关键位置的钻孔等。

实验测试

结果显示，3D打印金属成形的夹具具有更好的热转换效果，传统工艺制造的夹具冷却过程中，平均温度为31.7℃，而3D打印的只有27.7℃。

总结

金属3D打印随形冷却水路，为模具提供了更广阔的设计空间，同时这种优势也可应用到其他领域。AFIT研究人员利用SLM制造的IN 718 MST夹具，在高温蠕变测试中具有很低的热应力，降低了夹具在高温和压力环境下开裂的可能性。为进一步提高冷却流道的散热能力，设计更为复杂的螺旋流道，创造湍流环境，提高热传换效率，这种设计也适用于其他类似应用。