大功率激光二極管，可降低金屬3D打印90%殘余應(yīng)力！

在3D打印中，由于加熱材料的膨脹和冷材料的收縮，殘余應(yīng)力會(huì)在打印過程中在零件中累積，產(chǎn)生的力會(huì)使零件變形，并導(dǎo)致裂紋，使零件變?nèi)趸蛩撼伤槠�，尤其是在金屬中。勞倫斯利弗莫爾�?guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)和加州大學(xué)戴維斯分校的研究人員正在利用激光二極管來解決這個(gè)問題。二極管是從LLNL國(guó)家點(diǎn)火裝置(NIF)中借來的大功率激光器，在建造過程中快速加熱打印層，其研究成功發(fā)表在《Additive Manufacturing》上。

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通過使研究人員能夠降低溫度梯度(冷熱極值之差)和控制冷卻速度，該技術(shù)將金屬3D打印測(cè)試部件的有效殘余應(yīng)力降低了90%。論文的第一作者約翰·羅林(John Roehling)說：在金屬領(lǐng)域，真的很難克服這些壓力，我們已經(jīng)做了很多工作，試圖改變掃描策略來重新分配殘余應(yīng)力，但基本方法是在構(gòu)建部件時(shí)消除它們，這樣就不會(huì)有任何這些問題。使用這種方法，可以有效地消除殘余應(yīng)力，使其在構(gòu)建過程中不再出現(xiàn)部件故障。

為了研究，LLNL的工程師和共同第一作者Will Smith用316L不銹鋼用激光粉末熔床(LPBF)工藝建造了小型橋梁狀結(jié)構(gòu)。先讓每一層固化，然后用二極管照亮表面，一開始是全功率，然后在20秒內(nèi)迅速降低強(qiáng)度。結(jié)果就像把零件放在每一層之后的爐子里，因?yàn)楸砻鏈囟冗_(dá)到了大約1000攝氏度(1832華氏度)。成品的腿很粗，懸垂部分很薄，研究人員可以通過切斷其中一條腿，分析較弱的懸垂部分移動(dòng)了多少。


來測(cè)量殘余應(yīng)力減輕了多少，當(dāng)使用二極管時(shí)，橋不再偏轉(zhuǎn)。制造這些部件與普通金屬3d打印機(jī)的工作原理類似，但該研究的機(jī)器創(chuàng)新之處在于，使用了二次激光，它投射到更大的區(qū)域，然后對(duì)部件進(jìn)行后加熱——它會(huì)迅速升高溫度，然后以可控的方式慢慢冷卻。當(dāng)使用二極管時(shí)，發(fā)現(xiàn)有減少殘余應(yīng)力的趨勢(shì)，這與傳統(tǒng)上在烤箱中退火零件的做法相比較。這是一個(gè)很好的結(jié)果，也顯示了技術(shù)是多么有效。該方法是之前一個(gè)項(xiàng)目的一個(gè)分支。

在該項(xiàng)目中，激光二極管(開發(fā)用于在NIF中平滑激光)被用于一次3d打印整個(gè)金屬層。這種方法優(yōu)于其他降低金屬零件殘余應(yīng)力的常用方法，如改變掃描策略或使用加熱構(gòu)建板。因?yàn)檫@種方法是從頂部加熱的，所以零件的高度沒有限制。研究人員下一步將進(jìn)行更深入的研究，將注意力轉(zhuǎn)向增加每加熱循環(huán)的層數(shù)，看看他們是否能在相同程度上減少殘余應(yīng)力，嘗試更復(fù)雜的零件，并使用更多的定量技術(shù)，以獲得對(duì)過程更深入的了解。這項(xiàng)技術(shù)可以擴(kuò)大規(guī)模。
△圖. a）二極管退火系統(tǒng)的示意圖。 b）a）中虛線的詳細(xì)線條圖，顯示了靠近構(gòu)建板的激光掃描儀和二向色鏡。 c）連接到1英寸構(gòu)建板的橋的圖像，該構(gòu)建板是為研究而構(gòu)建的，與所使用的兩個(gè)掩模形狀疊加。 d）圖表顯示二極管功率的下降伴隨二極管退火過程。

△圖. a）來自不同實(shí)驗(yàn)的殘余應(yīng)力釋放。 每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)是使用相同條件構(gòu)建的3個(gè)獨(dú)立橋的平均值。 顯示的誤差條是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差。 爐退火數(shù)據(jù)（也從3個(gè)獨(dú)立的橋測(cè)量）顯示為虛線，誤差條顯示為彩色帶。 b）二極管退火工藝的測(cè)量溫度（1.83W / mm 2）。 該圖顯示了在橋上垂直整合的平均溫度。 黑色虛線表示用于圖3的測(cè)量區(qū)域的位置。白色虛線表示橋接部分的位置。 請(qǐng)注意，橋以45°角觀察，因此橋的長(zhǎng)度看起來更短。


△圖.從中心測(cè)量的溫度（圖2b中的黑色虛線）a）0.5 mm處的2 x 2 mm橋梁和b）懸伸部分中1.5 mm厚度。 第一個(gè)峰值是由于激光通過。 虛線表示在每個(gè)實(shí)驗(yàn)中使用的二極管的功率密度分布，繪制在右軸上。 溫度測(cè)量誤差約為25°C（保守估計(jì)）。

△圖. a）無二極管的電子背散射衍射晶體取向圖，b）2.22W / mm 2二極管退火，和c）1000℃爐退火橋。 d）粒度分布在構(gòu)建之間是可比較的。 a）中的插圖顯示了FCC材料的標(biāo)準(zhǔn)取向三角形（微觀結(jié)構(gòu)由奧氏體不銹鋼組成）。

因?yàn)槟壳爸皇窃谝粋�(gè)相對(duì)較小的領(lǐng)域進(jìn)行規(guī)劃，仍然有很大的改進(jìn)空間。通過增加更多的二極管激光器，可以增加更多的加熱面積，如果有人想把它集成到一個(gè)打印面積更大的系統(tǒng)中。更重要的是，研究人員將探索控制鈦合金(Ti64)的相變。通常，當(dāng)使用Ti64構(gòu)建時(shí)，相變會(huì)導(dǎo)致金屬變得非常脆弱，導(dǎo)致部件開裂。如果研究人員能夠通過緩慢冷卻零件來避免這種轉(zhuǎn)變，就能使材料的延展性達(dá)到航空航天標(biāo)準(zhǔn)。


這成功地證明了在激光粉末床熔合過程中通過原位二極管退火可以消除殘余應(yīng)力。通過原位控制材料的表面溫度，在增材制造期間可以有效地減少殘余應(yīng)力。在沒有晶粒生長(zhǎng)或再結(jié)晶的316L不銹鋼橋結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了90％的殘余應(yīng)力降低，并且凝固結(jié)構(gòu)僅有微小變化。發(fā)現(xiàn)退火期間達(dá)到的峰值溫度比退火溫度下的停留時(shí)間具有更大的影響。通過優(yōu)化原位二極管退火工藝的頻率（即，每個(gè)加熱周期的層數(shù)），功率分布的斜率和二極管光強(qiáng)度的空間分布，可以進(jìn)一步改進(jìn)方案。通過直接制造無應(yīng)力部件，無論高度如何，這種方法可以用于降低LPBF期間的風(fēng)險(xiǎn)，并且不需要減壓后處理。

博科園｜研究/來自：勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室參考期刊《Additive Manufacturing》DOI: 10.1016/j.addma.2019.05.009論文全文https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2214860419300867

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