SLM金屬3D打印獲新突破，LLNL新技術可降低90％的殘余應力

魔猴君  行業資訊   1929天前

更大的零件，更好的性能，殘余應力問題的解決或帶來SLM金屬3D打印進入大零件打印的新時代

降低90%的殘余應力。來源：LLNL

降低應力另辟蹊徑

PBF粉末床金屬熔化成型技術擁有其他制造工藝不具備的優勢，雖然它的沉積速率慢于DED金屬沉積成形工藝，但其精度和分辨率更高。不過拿SLM選區金屬熔化工藝（PBF粉末床金屬熔化成型技術的一種）來說，這種工藝有一個缺點：當金屬冷卻時，材料可能會在沉積了數層之后發生變形。較大的溫度梯度和快速冷卻引起的熱循環會在沉積過程中產生殘余應力。這會造成微觀結構發生緩慢的變化，進而導致零件發生變形。有時候產生的力不僅使零件變形還會導致裂紋，從而削弱零件的機械性能。

在某些情況下這些變形并不重要，然而對于有些應用而言，即使是 100 微米（0.1 毫米）的差異，也會超出標準規格的允許范圍，致使零件無法使用。

最近，美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）和美國加州大學戴維斯分校通過使用激光二極管在SLM選區激光熔化構建過程中快速地加熱打印層，解決了應力過高這一問題。

研究人員聲稱這項新技術使金屬3D打印零部件的有效殘余應力減少了90％，通過降低溫度梯度并控制冷卻速度來避免應力對零件的破壞，這打開了SLM選區激光熔化技術發展的新通道。

研究人員聲稱在SLM選區激光熔化金屬3D打印過程中，很難避免應力的產生，雖然之前研究人員在改變掃描策略以重新分配殘余應力方面已經做了很多工作，但結果還是不盡如意。

在這種情況下，研究人員嘗試了另辟蹊徑的辦法，在通過SLM選區激光熔化工藝加工316L不銹鋼的時候，研究人員在每一層固化后，用二極管（近紅外光）照射加工表面。最初是全功率，并在20秒內立即降低強度。

這種方式提高了溫度迅速而緩慢地以受控的方式冷卻粉末床。3D科學谷了解到，當研究人員使用二極管時，看到殘余應力減少的趨勢，并且這種方法從頂部加熱，所以零件的高度沒有限制。

研究人員計劃接下來將進行更深入的研究，將注意力轉向增加每個加熱周期的層數，看看它們是否能夠將殘余應力降低到相同的程度，嘗試應用于更復雜的零部件加工過程，另外還將使用更多的定量技術來更深入的了解這個過程。

研究人員還將探索如何控制鈦合金（Ti64）在3D打印過程中的相變。通常，當使用Ti64材料進行構建時，相變會導致金屬變得非常脆，導致零件破裂。如果研究人員可以通過緩慢冷卻零件來避免相變，這可以使材料具有足夠的延展性以滿足航空航天標準。

Review

如果這項技術獲得突破，那么在加工更大的零件的時候，可以通過添加更多的二極管激光器，這對SLM選區激光熔化技術來說意義重大。由于SLM選區激光熔化技術存在這諸多的痛點，使得該技術加工出來的零件的檢測與認證存在著頗多挑戰。而LLNL的努力無疑從源頭出發，降低了SLM選區激光熔化技術帶來的殘余應力這一痛點，目前SLM選區激光熔化技術加工的零件后期都進行了熱處理來緩解內部應力，零件通常需要經過HIP （熱等靜壓）過程。那么，LLNL的努力是否將降低后期對HIP的需求？我們將保持關注。