5月21日2021年
研究团队发现，常用于金属3D印刷最大问题的一种方法可能远离银弹。
对于制造商来说，3D打印或增材制造提供了一种制造复杂形状部件的方法，这种部件比传统方法制造的部件更耐用、更轻、更环保。这个行业正在蓬勃发展，有人预测它的规模每三年就会翻一番，但增长往往伴随着成长的烦恼。
残余应力是金属印刷过程中反复加热和冷却所固有的副产品，它会给零件带来缺陷，在某些情况下，还会损坏打印机。为了更好地了解残余应力是如何形成的，以及如何抑制它，美国国家标准与技术研究所(NIST)、劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员洛斯阿拉莫斯国家实验室和其他研究机构仔细研究了不同打印模式对钛合金零件的影响，这些钛合金零件采用基于激光的普通方法制作。
他们的结果，发表在加法制造研究显示，一种通常用于工业上减少残余应力的印刷模式，即岛扫描，在所有研究方法中表现最差，这与研究小组的预期不符。他们产生的数据可以帮助制造商测试和改进3D打印的预测模型，如果准确的话，可以使他们远离破坏性的残余应力水平。
“这非常令人惊讶，强调问题的复杂性，“北方材料研究工程师Th欧洲杯足球竞彩ien Phan是该研究的共同作者。“它表明，虽然岛屿扫描可能在许多情况下工作，但它没有在我们的工作中工作，这实际上突出了我们需要进行准确建模的事实。”
该团队的研究集中在一种被称为激光粉末床聚变(LPBF)的普遍添加剂制造方法上，在这种方法中，激光以预定的模式扫描金属粉末层，熔化和熔化表面的粒子。欧洲杯猜球平台当熔融的金属冷却成固体时，支撑材料的平台降低，打印机在上面添加一层新的粉末涂层，允许激光继续一层一层地制造零件。
一旦第二层构建开始，剩余应力开始后方的令人不快的头部。在LPBF中使用的金属快速冷却，这意味着当打印机的激光开始加热新层时，来自前一层的金属已经是坚固的。熔化层随着它们冷却而向内加入，拉动下方的固体金属并产生压力。并且温度差异越大，熔化层越多。该过程重复每层，直到部件完成，将应力锁定成固体金属。
“你的作品最终会产生难以置信的残余应力，”凤头说。“所以它就坐在那里，自我撕裂。残余应力可能会导致零件断裂，并在制作过程中将其举起，这实际上可能会导致机器崩溃。”
LPBF中最直接的打印模式是连续扫描，激光从一端到另一端来回扫描。但另一种被称为“岛扫描”的方法已经出现，可以缓解压力。这种方法背后的想法是，每次熔化一小部分金属，或岛屿，而不是整个层，将导致更少的金属收缩，同时减少整体应力。
岛屿扫描与制造商获得了牵引力，但过去的技术研究已经不一致。更广泛地，扫描策略与残余压力之间的关系仍然是一个谜。要开始填补这些差距，多机构团队旨在详细分析岛屿扫描对压力的影响。
这项新研究的作者打印了4座钛合金桥，长度刚刚超过2厘米(0.8英寸)。这些样品是通过连续扫描或岛状扫描来制作的，激光沿着它们的长度和宽度运行，或者以45度角运行。
一目了然，桥梁看起来类似于打印机，而不是将它们带到面值，研究人员密切仔细地审查它们。
他们将同步加速器产生的高能x射线射入样本深处。该研究小组通过测量金属反射的x射线的波长，高精度地提取了金属原子之间的距离。研究人员据此计算压力。距离越大，金属承受的压力就越大。掌握了这些关键信息后，他们生成了地图，显示了整个样品的应力位置和程度。
所有样品的应力都接近钛合金的屈服强度，即材料经历永久变形的点。但这些地图还揭示了一些令研究人员感到意外的东西。
“岛扫描样品在其侧面和顶部具有这些非常大的应力，在连续扫描样本中缺失或远不太明显，”NIST的物理学家和合著者莱尔·莱文说。“如果岛屿扫描是工业界试图缓解这些压力的一种方式，我想说，就这个特殊情况而言，它远没有成功。”
在另一个测试中，它们从金属底板上分离了每个桥的一条腿，它被粘在一起。该研究的作者测量了腿向上浇下的距离，获得另一个指示器，用于将剩余应力储存在每个桥梁的拱内。同样，岛扫描样品表现不佳，它们的腿部偏转超过其他样品的两倍多。
作者提出这种岛屿扫描可能是一把双刃剑。虽然岛屿的小尺寸可能会减少收缩，但岛屿也可能比较大的熔体池更快地冷却，从而产生更大的温度差，从而更大的压力。
藩说，虽然岛屿扫描不太适用于研究中使用的特定部分，材料和设备，但它仍然可能是一个不错的选择。2020欧洲杯下注官网然而，结果确实表明它不是残余压力的固化。为了保持在海湾的压力，制造商可能需要定制扫描策略和其他参数的特定构建 - 这项努力将通过计算机模型极大地辅助。
如果他们的预测是准确的话，制造商可以使用模型来快速和便宜地识别最佳参数，而不是通过试验和错误来优化打印，而不是优化打印。Levine表示，建模者通过测试它们无法对其进行严格产生的基准测量来提高对工具的信心，而不是与新研究中获得的数据不同。
这项工作在流行的打印策略中提供了一种新的视角，将钥匙件添加到残余应力形成的难题中，并最终将3D打印带到其完全潜力的步骤。
来源：https://www.nist.gov/