如何避免3D打印陷阱新利18官方

对于制造商,新利18官方,或加法制造，提供了一种制造复杂形状零件的方法，这些零件比传统方法制造的零件更耐用、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，但成长往往伴随着成长的痛苦。

残余应力是金属印刷过程中反复加热和冷却的副产品，会给零件引入缺陷，在某些情况下，还会损坏打印机。为了更好地理解残余应力是如何形成的，以及如何抑制它，国家标准与技术研究所(NIST)的研究人员，劳伦斯利弗莫尔国家实验室，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory)和其他机构仔细研究了不同印刷图案对钛合金零件的影响，这些零件是用一种常见的基于激光的方法制成的。

他们的研究结果表明，一种常用于工业上降低残余应力的印刷模式，即所谓的岛状扫描，在所有研究方法中表现最差，与研究小组的预期相违背。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，可以引导他们远离残余应力的破坏性水平。新利18官方

NIST材料研究工程师Thien Phan是这项研究的合著者，他说:“这非常令人惊讶，也凸显了问题的复杂性。”“这表明，尽管岛屿扫描在很多情况下可能会起作用，但在我们的研究中不起作用，这突出了我们需要精确建模的事实。”

该团队的研究集中在一种流行的增材制造方法——激光粉末床融合(LPBF)上，这种方法是用激光扫描一层金属粉末，按照预先确定的模式，将表面的颗粒熔化并融合在一起。当熔化的金属冷却成固体时，支撑材料的舞台降低，打印机在上面添加一层新的粉末，允许激光继续一层一层地制造零件。

一旦建筑的第二层开始，残余应力就会开始抬头。LPBF中使用的金属会迅速冷却，这意味着当打印机的激光开始加热新层时，前一层的金属已经是固体了。熔化的金属层在冷却时向内收缩，拉住下面的坚硬金属并产生压力。温度差异越大，熔化层的拉力就越大。这一过程重复每一层，直到零件完成，锁定应力到坚实的金属。

“你最终会在你的部件内部产生难以置信的残余应力，”Phan说。“所以它坐在那里，把自己撕裂。在建造过程中，残余应力可能会导致零件破裂并将其抬高，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，激光从零件的一端来回扫描到另一端。但另一种被称为“岛屿扫描”的选择已经出现，作为一种减轻压力的方法。这种方法背后的想法是，一次熔化一小部分金属，或岛屿，而不是整个层，将导致较少的金属收缩同时，减少整体应力。

岛屿扫描技术已经获得了制造商的青睐，但过去对该技术的研究并不一致。更广泛地说，扫描策略和残余应力之间的关系在很大程度上仍然是一个谜。为了填补这些空白，多机构的研究小组开始详细分析岛状扫描对应力的影响。

这项新研究的作者打印了4座钛合金桥，长度刚超过2厘米(0.8英寸)。这些样品是通过连续扫描或岛状扫描建立的，激光沿着它们的长度和宽度或以45度角运行。

乍一看，这些桥看起来和打印机打印出来的很像，但研究人员没有从表面上看它们，而是仔细检查了它们的细节。

他们发射高能x射线它由一种名为同步加速器的强大工具产生，深入样本。通过测量金属反射出的x射线的波长，研究小组精确地提取出金属原子之间的距离。从那里，研究人员计算了压力。距离越大，金属受到的压力越大。掌握了这些关键信息后，他们生成了地图，显示了整个样本中应力的位置和程度。

所有试样所包含的应力都接近钛合金的屈服强度——在这一点上材料发生永久变形。但这些地图还揭示了一些让研究人员感到意外的东西。

NIST的物理学家和合著者Lyle Levine说:“岛屿扫描样本的侧面和顶部有很大的压力，这些压力在连续扫描样本中缺失或不太明显。”“如果岛屿扫描是工业试图缓解这些压力的一种方式，我想说的是，对于这个特殊的案例，它离成功还很远。”

在另一项测试中，他们将每座桥的一条腿从固定在上面的金属基板上拆下来。该研究的作者测量了桥腿向上弹起的距离，从而获得了每座桥的拱桥内部储存有多少残余应力的另一个指标。岛屿扫描样本再次表现不佳，他们的腿偏转的程度是其他样本的两倍多。

作者提出，岛屿扫描可能是一把双刃剑。尽管岛屿面积小可能会减少收缩，但它们也可能比更大的融化池冷却得更快，从而产生更大的温差，从而产生更大的压力。

Phan说，尽管岛状扫描不太适合研究中使用的特定部位、材料和设备，但在不同的情况下，它仍然是一个很好的选择。然而，实验结果确实表明，它并不是残余应力的万能药。为了避免压力，制造商可能需要根据他们的特定型号定制扫描策略和其他参数——这一努力将得到计算机模型的极大帮助。

如果预测准确，制造商可以使用模型快速而廉价地确定最佳参数，而不是通过试验和错误来优化打印。Levine说，建模者可以通过严格的基准测量来测试他们的工具，就像在新研究中获得的数据一样，从而增强他们对工具的信心。

这项工作为一种流行的打印策略提供了一个新的视角，为残余应力形成之谜增加了一个关键部分，最终使3D打印更接近其全部潜力。新利18官方

这项研究发表在加法制造．