美國的新研究表明，降低金屬 3D打印部件殘余應力的成熟方法可能不如增材制造部門(mén)認為的那么有效。島狀掃描——一種常見(jiàn)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。該團隊由來(lái)自美國國家標準與技術(shù)研究院 (NIST)、勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗室和其他機構的科學(xué)家組成，他們發(fā)(fā)現(xiàn)島掃描方法實(shí)際上增加了某些類(lèi)似橋梁幾何形狀的殘余應力。

“這非常令人驚訝，并強調了問(wèn)題的復雜性，”該研究的合著(zhù)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家實(shí)驗室。

殘余應力：金屬 3D 打印的痛點(diǎn)

在 3D 打印由金屬制成的工業(yè)(yè)部件時(shí)，需要注意殘余應力。它們是由激光掃描粉末床時(shí)原料經(jīng)歷的循環(huán)(huán)加熱和冷卻引起的。當腔室中的粉末熔化時(shí)，它會(huì )膨脹，當它冷卻下來(lái)時(shí)，它會(huì )收縮，拉動(dòng)附近的熔化材料并產(chǎn)生內應力。在嚴重的情況下，這些殘余應力會(huì )導致冷卻的 3D 打印部件出現(xiàn)缺陷、裂紋和斷裂，從而完全破壞構建。“你最終會(huì )在你的作品中產(chǎn)生大量的殘余應力，”P(pán)han 解釋道。 “所以它坐在那里，撕裂自己。殘余應力可能會(huì )使零件破裂并在構建過(guò)程中將其抬起，這實(shí)際上可能會(huì )使機器崩潰。”

在對抗殘余應力的過(guò)程中，修改激光的掃描策略是第一道防線(xiàn)。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(zhù)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力。

殘余應力會(huì )導致 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，但對該方法實(shí)際效果的綜合研究是有限的，導致理解上的差距。為了詳細分析該方法，美國團隊 3D 打印了許多鈦合金橋，所有橋的長(cháng)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(xiàn)來(lái)計算內部的應力。有趣的是，沿著(zhù)使用島掃描 3D 打印的橋梁的某些邊緣發(fā)(fā)現(xiàn)了最高水平的張力。

NIST 物理學(xué)家兼合著(zhù)者 Lyle Levine 說(shuō)：“島狀掃描樣本的側面和頂部有這些非常大的應力，而在連續(xù)掃描樣本中這些應力是缺失的或不那么明顯。如果孤島掃描是行業(yè)(yè)試圖減輕這些壓力的一種方式，我想說(shuō)，對于這種特殊情況，它遠非成功。”

雖然島的較小尺寸確實(shí)減少了收縮，但該團隊認為這也會(huì )導致更快的冷卻和更大的溫差，從而增加壓力。最終，結果表明應該逐個(gè)項目地考慮島嶼掃描，而不是將其視為包羅萬(wàn)象的“銀彈”。為了減輕金屬 3D 打印中殘余應力的影響，制造商還需要考慮特定于構建的其他打印參數(shù)。

3D 打印鈦橋的應力圖。島掃描構建沿邊緣表現(xiàn)出高應力。圖片來(lái)自勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗室。

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(kāi)發(fā)(fā)大量新技術(shù)。來(lái)自阿貢國家實(shí)驗室和德克薩斯農工大學(xué)的一組研究人員此前曾使用實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)和機器學(xué)習算法來(lái)預測 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)(lián)系。

在其他地方，一組中國和美國的研究人員最近發(fā)(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)(fā)生零件缺陷。通過(guò)廣泛的 X 射線(xiàn)成像，該團隊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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