沈工大常云龙教授顶刊丨磁场辅助电弧定向能量沉积增材制造及磁系统结构优化
文章摘要
沈阳工业大学材料科学与工程学院的常云龙教授团队开发了一种小型化、参数可调的磁场发生装置，用于辅助电弧定向能量沉积（DED）增材制造，以提高组件的尺寸精度。通过数值模拟分析了该装置的材料和结构对磁场强度的影响，发现钢制设备外壳能提供较高的磁场强度，尤其是设备底部的扩大结构有助于增强磁场强度。 研究还发现，设备的倾斜底部可以增加磁场强度，且底部扩展结构提供了最高的磁场强度。
这些改进有助于减少能源消耗，对实现碳中和目标具有重要意义。通过特斯拉计验证了模拟结果，并在电弧DED中应用了磁场发生装置。结果表明，5mT的磁场能有效减小增材制造的尺寸误差，显著提高尺寸均匀性，最大尺寸误差降至0.8mm。磁场发生装置的优化结构在较小的励磁电流下提供了高磁场强度，实现了能源节约。
正文
目前，通过电弧定向能量沉积 (DED) 增材制造的组件缺乏尺寸精度。这可以通过各种先进方法来控制，包括引入外部磁场。沈阳工业大学材料科学与工程学院、辽宁省先进焊接技术及自动化重点实验室常云龙教授团队开发并设计了一种小型化、参数可调的磁场发生装置，辅助电弧定向能量沉积 (DED) 增材制造。通过数值模拟分析了该装置的材料和结构对磁场强度的影响。相比之下，钢制设备外壳可以提供高磁场强度，设备底部的扩大得益于强度的增加。最终，使用光学扫描系统来评估部件表面的尺寸精度。结果表明，5mT磁场可以有效减小电弧定向能量沉积 (DED) 增材制造的尺寸误差，显着提高尺寸均匀性。
图1. 实验平台：已安装装置的线弧DED系统；b 通过特斯拉计校准磁场强度；c 磁场系统连接图
图2. 不同外壳材质的磁场强度：铝外壳；B钢壳
图3. 不同底部形状的磁场强度：扩大；b 平；收缩
本研究对磁场辅助电弧DED的磁场发生装置进行了数值模拟。仿真结果表明，器件的外壳材料对磁场强度影响很大。钢的导磁性很强，导致对外输出的磁场强度很弱。然而，在液滴转移和电弧区域，钢壳装置提供了比铝壳装置更大的磁场强度。
模拟结果通过特斯拉计进行了验证。磁场的z方向衰减比预期的测量数据更强烈。然后，将校正后的磁场发生装置用于电弧DED。5mT磁场对沉积体表面精度的提高效果显着，最大尺寸误差降至0.8mm。换句话说，通过外部磁场可以显着提高增材制造的表面精度。磁场发生装置的改进结构以较小的励磁电流提供了高磁场强度。可以实现能源节约。
引用: Li, Y., Miao, J., Zhang, S. et al. Numerical simulation optimization of a magnetic system structure for magnetic field hybrid wire-arc DED. Int J Adv Manuf Technol (2023).
