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學(xué)家們挑戰(zhàn)激光掃描策略在金屬3D打印部件去應(yīng)力方面的有效性

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美國的新研究表明，降低金屬 3D打印部件殘余應(yīng)力的成熟方法可能不如增材制造部門認(rèn)為的那么有效。島狀掃描——一種常見的激光掃描策略——通常被制造商用來減輕通過激光粉末床融合 (PBF) 3D 打印的金屬部件。該方法涉及將構(gòu)建的層劃分為較小的子部分，通常為正方形，以減少零件在 3D 打印時的收縮。該團隊由來自美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院 (NIST)、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室和其他機構(gòu)的科學(xué)家組成，他們發(fā)現(xiàn)島掃描方法實際上增加了某些類似橋梁幾何形狀的殘余應(yīng)力。

“這非常令人驚訝，并強調(diào)了問題的復(fù)雜性，”該研究的合著者 NIST 材料研究工程師 Thien Phan 說。 “這表明，盡管島嶼掃描在許多情況下可能有效，但在我們的情況下卻行不通，這確實突出了我們需要準(zhǔn)確建模的事實。”

連續(xù)掃描路徑與孤島掃描路徑。后者將每一層分成更小的方塊以減少壓力。圖片來自勞倫斯利弗莫爾國家實驗室。

殘余應(yīng)力：金屬 3D 打印的痛點

在 3D 打印由金屬制成的工業(yè)部件時，需要注意殘余應(yīng)力。它們是由激光掃描粉末床時原料經(jīng)歷的循環(huán)加熱和冷卻引起的。當(dāng)腔室中的粉末熔化時，它會膨脹，當(dāng)它冷卻下來時，它會收縮，拉動附近的熔化材料并產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。在嚴(yán)重的情況下，這些殘余應(yīng)力會導(dǎo)致冷卻的 3D 打印部件出現(xiàn)缺陷、裂紋和斷裂，從而完全破壞構(gòu)建。“你最終會在你的作品中產(chǎn)生大量的殘余應(yīng)力，”Phan 解釋道。 “所以它坐在那里，撕裂自己。殘余應(yīng)力可能會使零件破裂并在構(gòu)建過程中將其抬起，這實際上可能會使機器崩潰。”

在對抗殘余應(yīng)力的過程中，修改激光的掃描策略是第一道防線。工程師可以選擇島掃描，而不是采用一次性熔化整個層的連續(xù)掃描路徑，它可以連續(xù)熔化小金屬島。后一種方法意味著在任何時候收縮的材料都更少，從而降低了零件的整體應(yīng)力。

殘余應(yīng)力會導(dǎo)致 3D 打印的金屬部件斷裂。圖片來自匹茲堡大學(xué)。

盡管島掃描已被證明有效，但對該方法實際效果的綜合研究是有限的，導(dǎo)致理解上的差距。為了詳細(xì)分析該方法，美國團隊 3D 打印了許多鈦合金橋，所有橋的長度都在 2 厘米左右。使用連續(xù)或島掃描策略制造每個測試樣品。從外面看，所有的橋看起來都一樣，所以研究人員使用高能 X 射線來計算內(nèi)部的應(yīng)力。有趣的是，沿著使用島掃描 3D 打印的橋梁的某些邊緣發(fā)現(xiàn)了最高水平的張力。

NIST 物理學(xué)家兼合著者 Lyle Levine 說：“島狀掃描樣本的側(cè)面和頂部有這些非常大的應(yīng)力，而在連續(xù)掃描樣本中這些應(yīng)力是缺失的或不那么明顯。如果孤島掃描是行業(yè)試圖減輕這些壓力的一種方式，我想說，對于這種特殊情況，它遠(yuǎn)非成功。”

雖然島的較小尺寸確實減少了收縮，但該團隊認(rèn)為這也會導(dǎo)致更快的冷卻和更大的溫差，從而增加壓力。最終，結(jié)果表明應(yīng)該逐個項目地考慮島嶼掃描，而不是將其視為包羅萬象的“銀彈”。為了減輕金屬 3D 打印中殘余應(yīng)力的影響，制造商還需要考慮特定于構(gòu)建的其他打印參數(shù)。

3D 打印鈦橋的應(yīng)力圖。島掃描構(gòu)建沿邊緣表現(xiàn)出高應(yīng)力。圖片來自勞倫斯利弗莫爾國家實驗室。

缺陷消除是 3D 打印社區(qū)的一個活躍研究領(lǐng)域，正在開發(fā)大量新技術(shù)。來自阿貢國家實驗室和德克薩斯農(nóng)工大學(xué)的一組研究人員此前曾使用實時溫度數(shù)據(jù)和機器學(xué)習(xí)算法來預(yù)測 3D 打印部件中的缺陷。該方法涉及建立熱歷史與激光 PBF 過程中亞表面缺陷形成之間的相關(guān)聯(lián)系。

在其他地方，一組中國和美國的研究人員最近發(fā)現(xiàn)了 PBF 3D 打印“速度限制”，在該“速度限制”中不太可能發(fā)生零件缺陷。通過廣泛的 X 射線成像，該團隊能夠確定可以更好地控制熔池中形成的 J 形氣泡的參數(shù)。