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科学家们挑战激光扫描策略在金属3D打印部件去应力方面的有效性
更新时间：2021-06-16 09:43:33
美国的新研究表明，降低金属 3D打印部件残余应力的成熟方法可能不如增材制造部门认为的那么有效。岛状扫描——一种常见的激光扫描策略——通常被制造商用来减轻通过激光粉末床融合 (PBF) 3D 打印的金属部件。该方法涉及将构建的层划分为较小的子部分，通常为正方形，以减少零件在 3D 打印时的收缩。该团队由来自美国国家标准与技术研究院 (NIST)、劳伦斯利弗莫尔国家实验室和其他机构的科学家组成，他们发现岛扫描方法实际上增加了某些类似桥梁几何形状的残余应力。
“这非常令人惊讶，并强调了问题的复杂性，”该研究的合著者 NIST 材料研究工程师 Thien Phan 说。 “这表明，尽管岛屿扫描在许多情况下可能有效，但在我们的情况下却行不通，这确实突出了我们需要准确建模的事实。”
连续扫描路径与孤岛扫描路径。后者将每一层分成更小的方块以减少压力。图片来自劳伦斯利弗莫尔国家实验室。
残余应力：金属 3D 打印的痛点
在 3D 打印由金属制成的工业部件时，需要注意残余应力。它们是由激光扫描粉末床时原料经历的循环加热和冷却引起的。当腔室中的粉末熔化时，它会膨胀，当它冷却下来时，它会收缩，拉动附近的熔化材料并产生内应力。在严重的情况下，这些残余应力会导致冷却的 3D 打印部件出现缺陷、裂纹和断裂，从而完全破坏构建。“你最终会在你的作品中产生大量的残余应力，”Phan 解释道。 “所以它坐在那里，撕裂自己。残余应力可能会使零件破裂并在构建过程中将其抬起，这实际上可能会使机器崩溃。”
在对抗残余应力的过程中，修改激光的扫描策略是第一道防线。工程师可以选择岛扫描，而不是采用一次性熔化整个层的连续扫描路径，它可以连续熔化小金属岛。后一种方法意味着在任何时候收缩的材料都更少，从而降低了零件的整体应力。
残余应力会导致 3D 打印的金属部件断裂。图片来自匹兹堡大学。
尽管岛扫描已被证明有效，但对该方法实际效果的综合研究是有限的，导致理解上的差距。为了详细分析该方法，美国团队 3D 打印了许多钛合金桥，所有桥的长度都在 2 厘米左右。使用连续或岛扫描策略制造每个测试样品。从外面看，所有的桥看起来都一样，所以研究人员使用高能 X 射线来计算内部的应力。有趣的是，沿着使用岛扫描 3D 打印的桥梁的某些边缘发现了最高水平的张力。
NIST 物理学家兼合著者 Lyle Levine 说：“岛状扫描样本的侧面和顶部有这些非常大的应力，而在连续扫描样本中这些应力是缺失的或不那么明显。如果孤岛扫描是行业试图减轻这些压力的一种方式，我想说，对于这种特殊情况，它远非成功。”
虽然岛的较小尺寸确实减少了收缩，但该团队认为这也会导致更快的冷却和更大的温差，从而增加压力。最终，结果表明应该逐个项目地考虑岛屿扫描，而不是将其视为包罗万象的“银弹”。为了减轻金属 3D 打印中残余应力的影响，制造商还需要考虑特定于构建的其他打印参数。
“这非常令人惊讶，并强调了问题的复杂性，”该研究的合著者 NIST 材料研究工程师 Thien Phan 说。 “这表明，尽管岛屿扫描在许多情况下可能有效，但在我们的情况下却行不通，这确实突出了我们需要准确建模的事实。”
连续扫描路径与孤岛扫描路径。后者将每一层分成更小的方块以减少压力。图片来自劳伦斯利弗莫尔国家实验室。
残余应力：金属 3D 打印的痛点
在 3D 打印由金属制成的工业部件时，需要注意残余应力。它们是由激光扫描粉末床时原料经历的循环加热和冷却引起的。当腔室中的粉末熔化时，它会膨胀，当它冷却下来时，它会收缩，拉动附近的熔化材料并产生内应力。在严重的情况下，这些残余应力会导致冷却的 3D 打印部件出现缺陷、裂纹和断裂，从而完全破坏构建。“你最终会在你的作品中产生大量的残余应力，”Phan 解释道。 “所以它坐在那里，撕裂自己。残余应力可能会使零件破裂并在构建过程中将其抬起，这实际上可能会使机器崩溃。”
在对抗残余应力的过程中，修改激光的扫描策略是第一道防线。工程师可以选择岛扫描，而不是采用一次性熔化整个层的连续扫描路径，它可以连续熔化小金属岛。后一种方法意味着在任何时候收缩的材料都更少，从而降低了零件的整体应力。
残余应力会导致 3D 打印的金属部件断裂。图片来自匹兹堡大学。
尽管岛扫描已被证明有效，但对该方法实际效果的综合研究是有限的，导致理解上的差距。为了详细分析该方法，美国团队 3D 打印了许多钛合金桥，所有桥的长度都在 2 厘米左右。使用连续或岛扫描策略制造每个测试样品。从外面看，所有的桥看起来都一样，所以研究人员使用高能 X 射线来计算内部的应力。有趣的是，沿着使用岛扫描 3D 打印的桥梁的某些边缘发现了最高水平的张力。
NIST 物理学家兼合著者 Lyle Levine 说：“岛状扫描样本的侧面和顶部有这些非常大的应力，而在连续扫描样本中这些应力是缺失的或不那么明显。如果孤岛扫描是行业试图减轻这些压力的一种方式，我想说，对于这种特殊情况，它远非成功。”
虽然岛的较小尺寸确实减少了收缩，但该团队认为这也会导致更快的冷却和更大的温差，从而增加压力。最终，结果表明应该逐个项目地考虑岛屿扫描，而不是将其视为包罗万象的“银弹”。为了减轻金属 3D 打印中残余应力的影响，制造商还需要考虑特定于构建的其他打印参数。
3D 打印钛桥的应力图。岛扫描构建沿边缘表现出高应力。图片来自劳伦斯利弗莫尔国家实验室。
缺陷消除是 3D 打印社区的一个活跃研究领域，正在开发大量新技术。来自阿贡国家实验室和德克萨斯农工大学的一组研究人员此前曾使用实时温度数据和机器学习算法来预测 3D 打印部件中的缺陷。该方法涉及建立热历史与激光 PBF 过程中亚表面缺陷形成之间的相关联系。
在其他地方，一组中国和美国的研究人员最近发现了 PBF 3D 打印“速度限制”，在该“速度限制”中不太可能发生零件缺陷。通过广泛的 X 射线成像，该团队能够确定可以更好地控制熔池中形成的 J 形气泡的参数。
来源：中国3D打印网
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