學家們挑戰激光掃描策略在金屬3D打印部件去應力方面的有效性

魔猴君  行業資訊   1220天前

美國的新研究表明，降低金屬 3D打印部件殘余應力的成熟方法可能不如增材制造部門認為的那么有效。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準與技術研究院 (NIST)、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室和其他機構的科學家組成，他們發現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力。

“這非常令人驚訝，并強調了問題的復雜性，”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確建模的事實。”

連續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。

殘余應力：金屬 3D 打印的痛點

在 3D 打印由金屬制成的工業部件時，需要注意殘余應力。它們是由激光掃描粉末床時原料經歷的循環加熱和冷卻引起的。當腔室中的粉末熔化時，它會膨脹，當它冷卻下來時，它會收縮，拉動附近的熔化材料并產生內應力。在嚴重的情況下，這些殘余應力會導致冷卻的 3D 打印部件出現缺陷、裂紋和斷裂，從而完全破壞構建。“你最終會在你的作品中產生大量的殘余應力，”Phan 解釋道。 “所以它坐在那里，撕裂自己。殘余應力可能會使零件破裂并在構建過程中將其抬起，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掃描路徑，它可以連續熔化小金屬島。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力。

殘余應力會導致 3D 打印的金屬部件斷裂。圖片來自匹茲堡大學。

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，導致理解上的差距。為了詳細分析該方法，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 射線來計算內部的應力。有趣的是，沿著使用島掃描 3D 打印的橋梁的某些邊緣發現了最高水平的張力。

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

雖然島的較小尺寸確實減少了收縮，但該團隊認為這也會導致更快的冷卻和更大的溫差，從而增加壓力。最終，結果表明應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 打印中殘余應力的影響，制造商還需要考慮特定于構建的其他打印參數。

3D 打印鈦橋的應力圖。島掃描構建沿邊緣表現出高應力。圖片來自勞倫斯利弗莫爾國家實驗室。

缺陷消除是 3D 打印社區的一個活躍研究領域，正在開發大量新技術。來自阿貢國家實驗室和德克薩斯農工大學的一組研究人員此前曾使用實時溫度數據和機器學習算法來預測 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聯系。

在其他地方，一組中國和美國的研究人員最近發現了 PBF 3D 打印“速度限制”，在該“速度限制”中不太可能發生零件缺陷。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。

來源：https://www.3ddayin.net/xinwenpindao/shendujiedu/40388.html