大功率激光二極管,，可降低金屬3D打印90%殘余應力！

在3D打印中,，由于加熱材料的膨脹和冷材料的收縮,，殘余應力會在打印過程中在零件中累積，產生的力會使零件變形,，并導致裂紋,，使零件變弱或撕成碎片，尤其是在金屬中,。勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)和加州大學戴維斯分校的研究人員正在利用激光二極管來解決這個問題,。二極管是從LLNL國家點火裝置(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，該技術將金屬3D打印測試部件的有效殘余應力降低了90%,。論文的第一作者約翰·羅林(John Roehling)說：在金屬領域,，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力,，但基本方法是在構建部件時消除它們，這樣就不會有任何這些問題,。使用這種方法,，可以有效地消除殘余應力，使其在構建過程中不再出現(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構。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秒內迅速降低強度,。結果就像把零件放在每一層之后的爐子里,，因為表面溫度達到了大約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了多少,。


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

在該項目中,，激光二極管(開發(fā)用于在NIF中平滑激光)被用于一次3d打印整個金屬層。這種方法優(yōu)于其他降低金屬零件殘余應力的常用方法,，如改變掃描策略或使用加熱構建板,。因為這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行更深入的研究,，將注意力轉向增加每加熱循環(huán)的層數(shù)，看看他們是否能在相同程度上減少殘余應力,，嘗試更復雜的零件,，并使用更多的定量技術，以獲得對過程更深入的了解,。這項技術可以擴大規(guī)模,。
△圖. a）二極管退火系統(tǒng)的示意圖。 b）a）中虛線的詳細線條圖,，顯示了靠近構建板的激光掃描儀和二向色鏡,。 c）連接到1英寸構建板的橋的圖像，該構建板是為研究而構建的,，與所使用的兩個掩模形狀疊加,。 d）圖表顯示二極管功率的下降伴隨二極管退火過程。

△圖. a）來自不同實驗的殘余應力釋放,。 每個數(shù)據(jù)點是使用相同條件構建的3個獨立橋的平均值,。 顯示的誤差條是一個標準偏差。 爐退火數(shù)據(jù)（也從3個獨立的橋測量）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的測量區(qū)域的位置,。白色虛線表示橋接部分的位置,。 請注意，橋以45°角觀察,，因此橋的長度看起來更短,。


△圖.從中心測量的溫度（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。 第一個峰值是由于激光通過,。 虛線表示在每個實驗中使用的二極管的功率密度分布,，繪制在右軸上。 溫度測量誤差約為25°C（保守估計）,。

△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）粒度分布在構建之間是可比較的,。 a）中的插圖顯示了FCC材料的標準取向三角形（微觀結構由奧氏體不銹鋼組成）。

因為目前只是在一個相對較小的領域進行規(guī)劃,，仍然有很大的改進空間,。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,，當使用Ti64構建時，相變會導致金屬變得非常脆弱,，導致部件開裂,。如果研究人員能夠通過緩慢冷卻零件來避免這種轉變，就能使材料的延展性達到航空航天標準,。


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力,。在沒有晶粒生長或再結晶的316L不銹鋼橋結構中實現(xiàn)了90％的殘余應力降低,，并且凝固結構僅有微小變化。發(fā)現(xiàn)退火期間達到的峰值溫度比退火溫度下的停留時間具有更大的影響,。通過優(yōu)化原位二極管退火工藝的頻率（即,，每個加熱周期的層數(shù)），功率分布的斜率和二極管光強度的空間分布,，可以進一步改進方案,。通過直接制造無應力部件，無論高度如何，這種方法可以用于降低LPBF期間的風險,，并且不需要減壓后處理,。

博科園｜研究/來自：勞倫斯利弗莫爾國家實驗室參考期刊《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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