雷尼紹：如何“對(duì)抗”金屬3D打印殘留應(yīng)力

導(dǎo)讀：殘留應(yīng)力是快速加熱和快速冷卻的必然產(chǎn)物，這是激光粉末床熔融工藝的固有特性。英國(guó)金屬3D打印廠商雷尼紹總結(jié)出“對(duì)抗”金屬3D打印殘留應(yīng)力的辦法。

每一個(gè)新的加工層都是通過如下方式形成的：在粉末床上移動(dòng)聚焦激光，使頂層粉末熔融并與下方的加工層熔合。熱熔池中的熱量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。這個(gè)過程非常迅速，大約只有幾微秒。

當(dāng)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，這種收縮會(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粉末形成新的焊道（左）

激光沿掃描矢量移動(dòng)并熔融粉末，在熱量傳遞至下方的固體金屬之后，熔融粉末冷卻下來。金屬在冷卻凝固的過程中收縮，從而與下一層之間形成剪切力（右）

殘留應(yīng)力具有破壞性。當(dāng)我們?cè)谝粋�(gè)加工層的上方增加新的加工層時(shí)，應(yīng)力會(huì)隨之形成并累積，這可能導(dǎo)致零件變形，使其邊緣卷起，甚至脫離支撐。

在比較極端的情況下，應(yīng)力可能會(huì)超出零件的強(qiáng)度，造成組件破壞性開裂或加工托盤變形。

這些效應(yīng)在橫截面較大的零件中最為明顯，因此此類零件的焊道往往較長(zhǎng)，因而剪切力作用的距離更長(zhǎng)。

最大程度減小殘留應(yīng)力
解決這個(gè)問題的方法之一是改變掃描策略，選擇最適合所加工的零件幾何形狀的方法。
當(dāng)我們用激光軌跡填充零件中心時(shí)，通常會(huì)來回移動(dòng)激光，這個(gè)過程稱為“掃描”。
我們所選擇的模式會(huì)影響掃描矢量的長(zhǎng)度，因而也會(huì)影響可能在零件上累積的應(yīng)力水平。掃描矢量越短，則殘留應(yīng)力越小。

迂回掃描模式
•  每層掃描完成后旋轉(zhuǎn)67°
•  加工效率較高
•  殘留應(yīng)力逐漸增加
•  適合較小和較薄的特征

條紋掃描模式
•  殘留應(yīng)力分布均勻
•  適合大型零件
•  加工效率高于棋盤掃描模式

棋盤掃描模式
•  每層分為若干個(gè)5 x 5 mm的島狀區(qū)域
•  每層掃描完成后將整體模式和每個(gè)島狀區(qū)域旋轉(zhuǎn)67°
•  殘留應(yīng)力分布均勻
•  適合大型零件

我們也可以在從一個(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，應(yīng)力就不會(huì)全部集中在同一個(gè)平面上。
每層之間通常旋轉(zhuǎn)67度，以確保在加工完許多層之后掃描方向才會(huì)完全重復(fù)。
加熱加工托盤也是減少殘留應(yīng)力的一種方法，此外，序后熱處理也可以減少累積的應(yīng)力。

殘留應(yīng)力設(shè)計(jì)建議
通過設(shè)計(jì)最大程度消除殘留應(yīng)力
•  避免大面積不間斷熔融
•  注意橫截面的變化
•  混合加工，將較厚的底板整合到增材制造零件中
•  在應(yīng)力可能較高的位置使用較厚的加工托盤
•  選擇合適的掃描策略

來源：雷尼紹