美國(guó)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(lái)減輕通過(guò)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(shí)的收縮。該團(tuán)隊(duì)由來(lái)自美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院 (NIST)、勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和其他機(jī)構(gòu)的科學(xué)家組成，他們發(fā)現(xiàn)島掃描方法實(shí)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(qiáng)調(diào)了問(wèn)題的復(fù)雜性，”該研究的合著者 NIST 材料研究工程師 Thien Phan 說(shuō)。 “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(shí)突出了我們需要準(zhǔn)確建模的事實(shí)。”

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(lái)自勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室。

殘余應(yīng)力：金屬 3D 打印的痛點(diǎn)

在 3D 打印由金屬制成的工業(yè)部件時(shí)，需要注意殘余應(yīng)力。它們是由激光掃描粉末床時(shí)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(shí)，它會(huì)膨脹，當(dāng)它冷卻下來(lái)時(shí)，它會(huì)收縮，拉動(dòng)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(huì)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(huì)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(huì)使零件破裂并在構(gòu)建過(guò)程中將其抬起，這實(shí)際上可能會(huì)使機(jī)器崩潰。”

在對(duì)抗殘余應(yīng)力的過(guò)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(gè)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(shí)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(huì)導(dǎo)致 3D 打印的金屬部件斷裂。圖片來(lái)自匹茲堡大學(xué)。

盡管島掃描已被證明有效，但對(duì)該方法實(shí)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(guó)團(tuán)隊(duì) 3D 打印了許多鈦合金橋，所有橋的長(zhǎng)度都在 2 厘米左右。使用連續(xù)或島掃描策略制造每個(gè)測(cè)試樣品。從外面看，所有的橋看起來(lái)都一樣，所以研究人員使用高能 X 射線來(lái)計(jì)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(shuō)：“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(shuō)，對(duì)于這種特殊情況，它遠(yuǎn)非成功。”

雖然島的較小尺寸確實(shí)減少了收縮，但該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為這也會(huì)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(gè)項(xiàng)目地考慮島嶼掃描，而不是將其視為包羅萬(wàn)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(lái)自勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室。

缺陷消除是 3D 打印社區(qū)的一個(gè)活躍研究領(lǐng)域，正在開發(fā)大量新技術(shù)。來(lái)自阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法來(lái)預(yù)測(cè) 3D 打印部件中的缺陷。該方法涉及建立熱歷史與激光 PBF 過(guò)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(guó)和美國(guó)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(guò)廣泛的 X 射線成像，該團(tuán)隊(duì)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)。

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