更大的零件，更好的性能，殘余應(yīng)力問題的解決或帶來SLM金屬3D打印進(jìn)入大零件打印的新時(shí)代

降低90%的殘余應(yīng)力。來源：LLNL

降低應(yīng)力另辟蹊徑

PBF粉末床金屬熔化成型技術(shù)擁有其他制造工藝不具備的優(yōu)勢(shì)，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(qū)金屬熔化工藝（PBF粉末床金屬熔化成型技術(shù)的一種）來說，這種工藝有一個(gè)缺點(diǎn)：當(dāng)金屬冷卻時(shí)，材料可能會(huì)在沉積了數(shù)層之后發(fā)生變形。較大的溫度梯度和快速冷卻引起的熱循環(huán)會(huì)在沉積過程中產(chǎn)生殘余應(yīng)力。這會(huì)造成微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生緩慢的變化，進(jìn)而導(dǎo)致零件發(fā)生變形。有時(shí)候產(chǎn)生的力不僅使零件變形還會(huì)導(dǎo)致裂紋，從而削弱零件的機(jī)械性能。

在某些情況下這些變形并不重要，然而對(duì)于有些應(yīng)用而言，即使是 100 微米（0.1 毫米）的差異，也會(huì)超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的允許范圍，致使零件無法使用。

最近，美國(guó)勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）和美國(guó)加州大學(xué)戴維斯分校通過使用激光二極管在SLM選區(qū)激光熔化構(gòu)建過程中快速地加熱打印層，解決了應(yīng)力過高這一問題。

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

研究人員聲稱在SLM選區(qū)激光熔化金屬3D打印過程中，很難避免應(yīng)力的產(chǎn)生，雖然之前研究人員在改變掃描策略以重新分配殘余應(yīng)力方面已經(jīng)做了很多工作，但結(jié)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(qū)激光熔化工藝加工316L不銹鋼的時(shí)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(nèi)立即降低強(qiáng)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(xué)谷了解到，當(dāng)研究人員使用二極管時(shí)，看到殘余應(yīng)力減少的趨勢(shì)，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(jì)劃接下來將進(jìn)行更深入的研究，將注意力轉(zhuǎn)向增加每個(gè)加熱周期的層數(shù)，看看它們是否能夠?qū)堄鄳?yīng)力降低到相同的程度，嘗試應(yīng)用于更復(fù)雜的零部件加工過程，另外還將使用更多的定量技術(shù)來更深入的了解這個(gè)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(dāng)使用Ti64材料進(jìn)行構(gòu)建時(shí)，相變會(huì)導(dǎo)致金屬變得非常脆，導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)。

Review

如果這項(xiàng)技術(shù)獲得突破，那么在加工更大的零件的時(shí)候，可以通過添加更多的二極管激光器，這對(duì)SLM選區(qū)激光熔化技術(shù)來說意義重大。由于SLM選區(qū)激光熔化技術(shù)存在這諸多的痛點(diǎn)，使得該技術(shù)加工出來的零件的檢測(cè)與認(rèn)證存在著頗多挑戰(zhàn)。而LLNL的努力無疑從源頭出發(fā)，降低了SLM選區(qū)激光熔化技術(shù)帶來的殘余應(yīng)力這一痛點(diǎn)，目前SLM選區(qū)激光熔化技術(shù)加工的零件后期都進(jìn)行了熱處理來緩解內(nèi)部應(yīng)力，零件通常需要經(jīng)過HIP （熱等靜壓）過程。那么，LLNL的努力是否將降低后期對(duì)HIP的需求？我們將保持關(guān)注。