【解析】金屬3D打印技術(shù)解析之如何減少殘余應(yīng)力

作者： 三的部落

金屬3D打印近幾年發(fā)展的如火如荼，已經(jīng)被逐漸運(yùn)用到了各行各業(yè)：航空航天、汽車、醫(yī)療等等。其優(yōu)勢(shì)在于可以做到零件輕量化個(gè)性化設(shè)計(jì)，可以解決一些傳統(tǒng)加工制造方式無(wú)法做到的技術(shù)難題，然而從技術(shù)層面上來(lái)說(shuō)在3D打印過(guò)程中會(huì)存在的許多問(wèn)題使得我們的設(shè)計(jì)不能按照預(yù)想的被打印出來(lái)，有以下原因：殘余應(yīng)力，零件擺放，支撐，零件優(yōu)化等。那么今天我們就詳細(xì)介紹一下殘余應(yīng)力對(duì)金屬3D打印過(guò)程造成的影響以及我們應(yīng)該如何避免吧！

殘余應(yīng)力：殘余應(yīng)力是快速加熱和冷卻的必然產(chǎn)物，這是激光粉末床熔化工藝的固有特性。

每一個(gè)新的加工層都是通過(guò)如下方式構(gòu)建的：在粉末床上移動(dòng)聚焦激光，熔化粉末頂層并將其與下方的一個(gè)加工層熔合。熱熔池中的熱量會(huì)傳遞至下方的固體金屬，這樣熔融的金屬就會(huì)冷卻并凝固。這一過(guò)程非常迅速，大約只有幾微秒。新的金屬層在下層金屬的上表面凝固和冷卻時(shí)會(huì)出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，但由于受到下方固體結(jié)構(gòu)的限制，其收縮會(huì)導(dǎo)致層與層之間形成剪切力。

                             

激光在固體基體的頂部熔融金屬形成新的焊道（左）。激光沿著掃描矢量移動(dòng)并熔融粉末，隨后通過(guò)將熱量傳遞至下方的固體金屬，熔融后的粉末開(kāi)始冷卻。凝固后，冷卻金屬收縮，該金屬層與下一層之間就會(huì)形成剪切力（右）

殘留應(yīng)力具有破壞性。當(dāng)我們?cè)谝粋�(gè)加工層頂部增加另一個(gè)加工層時(shí)，應(yīng)力隨之形成并累積，這可能導(dǎo)致零件變形，其邊緣卷起，之后可能會(huì)脫離支撐，在零件下表面較大且貼合基板的情況下，零件邊緣會(huì)脫離基板：

在比較極端的情況下，應(yīng)力可能會(huì)超出零件的強(qiáng)度，造成組件破壞性開(kāi)裂或基板變形：這些情況一般出現(xiàn)在較大截面的零件中，由于界面過(guò)大導(dǎo)致剪切力作用的距離更長(zhǎng)，從而導(dǎo)致零件變形或基板變形。

優(yōu)化設(shè)計(jì)
對(duì)于這種情況，首先我們應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮到應(yīng)力的問(wèn)題，也就是優(yōu)化設(shè)計(jì)，盡量的去避免大面積不間斷燒結(jié)。盡量選取厚一些的基板，基板加熱也是可以減輕此類問(wèn)題，例如打印316L不銹鋼材料大部分廠家的加熱溫度為80攝氏度。

改變掃描方式
當(dāng)我們用激光燒結(jié)基板上方金屬粉末時(shí)，激光會(huì)沿著一定的路徑和和幾何形狀來(lái)填充零件。通常這個(gè)過(guò)程會(huì)來(lái)回移動(dòng)激光,這個(gè)過(guò)程叫做掃描。掃描方式有很多種,例如條紋掃描，內(nèi)外螺旋掃描，傾斜分區(qū)掃描等。

以傾斜分區(qū)掃描為例，此類掃描也是大部分零件打印時(shí)的掃描方式。我們可以通過(guò)改變激光的掃描方式來(lái)減少零件上的殘余應(yīng)力，在從一個(gè)加工層移至下一個(gè)加工層時(shí)旋轉(zhuǎn)掃描矢量的方向，這樣一來(lái)，應(yīng)力就不會(huì)全部在同一平面上集中，每層之間通常旋轉(zhuǎn)67度，以確保在加工完許多層后掃描方向才會(huì)完全重復(fù)。

以上就是一些常用的改善應(yīng)力殘留的方法，但這些方法只適用于在打印的過(guò)程中來(lái)改善，而最佳方案則是在設(shè)計(jì)過(guò)程中就考慮到應(yīng)力殘留的問(wèn)題從而避免。