一個研究小組發(fā)現(xiàn)，通常用于解決金屬3D打印最大問題是，它并非是萬能靈藥。
對于制造商而言，3D打印或增材制造提供了一種建造復(fù)雜形狀零件的方法，該零件比通過傳統(tǒng)方法制造的零件更耐用、更輕且對環(huán)境更友好。該行業(yè)正在蓬勃發(fā)展，有人預(yù)測它的規(guī)模每三年翻一番。殘余應(yīng)力是金屬印刷過程固有的反復(fù)加熱和冷卻的副產(chǎn)品，會導(dǎo)致零件中出現(xiàn)缺陷，并且在某些情況下會損壞印刷機(jī)。
為了更好地了解殘余應(yīng)力的形成方式，以及如何消除殘余應(yīng)力，美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST）、勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室，洛斯阿拉莫斯國家實驗室和其他機(jī)構(gòu)的研究人員，仔細(xì)研究了鈦不同印刷圖案的影響用普通的基于激光的方法制成的合金零件。
在工業(yè)上通常用于減少殘留應(yīng)力的印刷圖案（稱為島掃描）在所研究的方法中顯示效果最差。他們產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以幫助制造商測試和改進(jìn)3D打印的預(yù)測模型，如果準(zhǔn)確的話，可以使它們遠(yuǎn)離破壞性的殘余應(yīng)力水平。
盡管島掃描在許多情況下都可以使用，但在我們的情況下卻不起作用，這確實凸顯了我們需要進(jìn)行精確建模的事實。
該團(tuán)隊的研究集中于一種流行的增材制造方法，稱為激光粉末床熔合（LPBF），其中激光以預(yù)定的模式掃描一層金屬粉末，將表面的顆粒熔化并融合在一起。當(dāng)熔融金屬冷卻成固體時，支撐材料的工作臺降低，打印機(jī)在頂部添加新的粉末涂層，從而使激光繼續(xù)逐層構(gòu)建零件。一旦構(gòu)建的第二層開始，殘余應(yīng)力就會開始抬起其不愉快的頭部。
LPBF中使用的金屬會迅速冷卻，這意味著當(dāng)打印機(jī)的激光開始加熱新層時，上一層的金屬已經(jīng)是固體。熔化的層在冷卻時向內(nèi)收縮，從而拉動下方的固體金屬并產(chǎn)生應(yīng)力。
溫度差越大，熔融層的拉力就越大。對每一層重復(fù)此過程，直到完成零件為止，從而將應(yīng)力鎖定在固體金屬中。
正在運行的激光粉末床融合類型的3D打印機(jī)。激光粉末床熔融會添加連續(xù)的金屬粉末層，然后使用激光將每一層熔化到要制造的零件上的適當(dāng)位置。
工件內(nèi)部會產(chǎn)生難以置信的殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力可能會使零件破裂并在制造過程中將其抬起，這實際上可能使機(jī)器崩潰。
LPBF中最直接的打印圖案是連續(xù)掃描，其中激光從零件的一端到另一端來回掃描。但是，一種稱為孤島掃描的替代方法已經(jīng)出現(xiàn)，可以緩解壓力。
這種方法背后的思想是，一次熔化一個金屬的小部分或小島，而不是熔化整個層，將減少同時發(fā)生的金屬收縮，從而降低了整體應(yīng)力。
島掃描技術(shù)已受到制造商的青睞，但過去對該技術(shù)的研究一直不一致。更廣泛地說，掃描策略和殘余應(yīng)力之間的關(guān)系在很大程度上仍然是個謎。為了填補(bǔ)這些空白，多機(jī)構(gòu)團(tuán)隊著手詳細(xì)分析孤島掃描對壓力的影響。
這項新研究的作者打印了四根剛好超過2厘米（0.8英寸）的鈦合金橋。樣品是通過連續(xù)掃描或孤島掃描構(gòu)建的，激光沿著其長度和寬度或以45度角運行。
從打印機(jī)中出來的橋看起來很相似，但研究人員并未仔細(xì)研究它們，而是看了表面的價值。
他們將由同步加速 器的強(qiáng)大工具產(chǎn)生的高能X射線照到樣品深處。通過測量從金屬反射回來的X射線的波長，該小組以高精度提取了金屬原子之間的距離。研究人員從那里計算出壓力。距離越大，金屬承受的壓力就越大。掌握了這些關(guān)鍵信息后，他們生成了顯示整個樣品應(yīng)力位置和程度的圖。
所有樣品的應(yīng)力都接近鈦合金的屈服強(qiáng)度，即材料永久變形的點。但是這些地圖揭示了其他令研究人員驚訝的東西。
研究人員測試了四種不同的印刷圖案，其中的激光要么連續(xù)地在金屬粉末中來回熔化，要么在不同的方形島中熔化，并且平行于零件的長邊或與零件的對角線延伸。
島狀掃描樣品的側(cè)面和頂部承受著非常大的應(yīng)力，在連續(xù)掃描樣品中這些應(yīng)力缺失或不那么明顯。如果孤島掃描是業(yè)界試圖減輕這些壓力的一種方式，對于這種特殊情況，它遠(yuǎn)未取得成功。
在另一項測試中，他們將每個橋的支腿從與之相連的金屬基板上拆下。該研究的作者測量了腿向上彈起的距離，從而獲得了另一個指標(biāo)，該指標(biāo)表明了每座橋的拱內(nèi)儲存了多少殘余應(yīng)力。同樣，孤島掃描樣品的性能較差，其腿變形量是其他樣品的兩倍以上。
3D掃描可能是一把雙刃劍。盡管這些小島可能會減少收縮，但與更大的熔池相比，這些島的冷卻速度也要快得多，從而產(chǎn)生更大的溫度差，從而產(chǎn)生更大的應(yīng)力。
盡管孤島掃描不太適合研究中使用的特定零件，材料和設(shè)備，但在不同情況下，它仍然是一個不錯的選擇。結(jié)果表明，這并不是解決殘余應(yīng)力的全部方法。為了避免壓力，制造商可能需要根據(jù)自己的具體情況量身定制掃描策略和其他參數(shù)-計算機(jī)模型將大大有助于這一工作。
如果預(yù)測準(zhǔn)確，制造商可以使用模型快速廉價地識別最佳參數(shù)，而不必通過反復(fù)試驗來優(yōu)化打印效果。建模人員可以通過對工具進(jìn)行嚴(yán)格的基準(zhǔn)測試來進(jìn)行測試，從而增強(qiáng)他們對工具的信心，與新研究中獲得的數(shù)據(jù)不同。
這項工作為流行的打印策略提供了新的視角，為殘留應(yīng)力形成難題增添了關(guān)鍵要素，并最終使3D打印更接近其全部潛能。