大功率激光二極管，可降低金屬3D打印的殘余應(yīng)力

來源：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)力會在打印過程中在零件中累積，產(chǎn)生的力會使零件變形，并導(dǎo)致裂紋，使零件變?nèi)趸蛩撼伤槠�，尤其是在金屬中。勞倫斯利弗莫爾國家實驗�?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問題。二極管是從LLNL國家點(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。

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(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，因為表面溫度達(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了多少。

來測量殘余應(yīng)力減輕了多少，當(dāng)使用二極管時，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，然后對部件進(jìn)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(dāng)使用二極管時，發(fā)現(xiàn)有減少殘余應(yīng)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(jié)果，也顯示了技術(shù)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(yīng)力的常用方法，如改變掃描策略或使用加熱構(gòu)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(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)，以獲得對過程更深入的了解。這項技術(shù)可以擴(kuò)大規(guī)模。

因為目前只是在一個相對較小的領(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，相變會導(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)。

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博科園｜科學(xué)、科技、科研、科普