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(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。

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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,。
△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(guò)程。

△圖. a）來(lái)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(lái)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(guò),。 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(wú)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(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),。


這成功地證明了在激光粉末床熔合過(guò)程中通過(guò)原位二極管退火可以消除殘余應(yīng)力。通過(guò)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(méi)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(guò)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(guò)直接制造無(wú)應(yīng)力部件,，無(wú)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(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論文全文https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2214860419300867

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