大功率激光二極管,，可降低金屬3D打印的殘余應(yīng)力

來(lái)源：博科園

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(guò)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(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。二極管是從LLNL國(guó)家點(diǎn)火裝置(NIF)中借來(lái)的大功率激光器,，在建造過(guò)程中快速加熱打印層，其研究成功發(fā)表在《Additive Manufacturing》上,。

通過(guò)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(shuō)：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(lái)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(wèn)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(guò)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(kāi)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(guò)切斷其中一條腿,，分析較弱的懸垂部分移動(dòng)了多少,。

來(lái)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(lèi)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(kāi)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(méi)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(guò)程更深入的了解,。這項(xiàng)技術(shù)可以擴(kuò)大規(guī)模。

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(guò)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(kāi)裂,。如果研究人員能夠通過(guò)緩慢冷卻零件來(lái)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)。

博科園｜研究/來(lái)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博科園｜科學(xué),、科技,、科研、科普