对于制造商而言，3D打印或增材制造提供了 种建造复杂形状零件的方法，该零件比通过传统方法制造的零件更耐用，更轻且对环境更友好。该行业正在蓬勃发展，有人预测它的规模每三年翻 番，但增长往往与痛苦并存。
残余应力是金属印刷过程固有的反复加热和冷却的副产品，会导致零件中出现缺陷，并且在某些情况下会损坏印刷机。为了更好地了解残余应力的形成方式以及如何加以消除，美国国 标准技术研究院（NIST），劳伦斯·利弗莫尔国 实验室，洛斯阿拉莫斯国 实验室和其他机构的研究人员仔细研究了钛不同印刷图案的影响用普通的基于激光的方法制成的合金零件。
他们的结果发表在《增 材制造》上，表明在工业上通常用于减少残留应力的印刷图案（称为岛扫描）在所研究的方法中显示效果 差，无视团队的期望。他们产生的数据可以帮助制造商测试和改进3D打印的预测模型，如果准确的话，可以使它们远离破坏性的残余应力水平。
材料研究工程师Thien Phan说：“这令人惊讶，并突出了问题的复杂性。” “它表明，尽管岛扫描在许多情况下都可以使用，但在我们的情况下却不起作用，这确实凸显了我们需要进行精确建模的事实。”
该团队的研究集中于 种流行的增材制造方法，称为激光粉末床熔合（LPBF），其中激光以预定的模式扫描 层金属粉末，将表面的颗粒熔化并融合在 起。当熔融金属冷却成固体时，支撑材料的工作台降低，打印机在顶部添加新的粉末涂层，从而使激光继续逐层构建零件。
旦构建的第二层开始，残余应力就会开始抬起其不愉快的头部。LPBF中使用的金属会迅速冷却，这意味着当打印机的激光开始加热新层时，上 层的金属已经是固体。熔化的层在冷却时向内收缩，从而拉动下方的固体金属并产生应力。温度差越大，熔融层的拉力就越大。对每 层重复此过程，直到完成零件为止，从而将应力锁定在固体金属中。
潘说：“ 终，工件内部会产生难以置信的残余应力。” “所以它坐在那儿，撕裂了自己。残余应力可能会使零件破裂并在制造过程中将其抬起，这实际上可能使机器崩溃。”
中 直接的打印图案是连续扫描，其中激光从零件的 端到另 端来回扫描。但是， 种称为孤岛扫描的替代方法已经出现，可以缓解压力。这种方法背后的思想是， 次熔化 个金属的小部分或小岛，而不是熔化整个层，将减少同时发生的金属收缩，从而降低了整体应力。
岛扫描技术已吸引了制造商的关注，但过去对该技术的研究 直不 致。更广泛地说，扫描策略和残余应力之间的关系在很大程度上仍然是个谜。为了填补这些空白，多机构团队着手详细分析孤岛扫描对压力的影响。
这项新研究的作者打印了四根刚好超过2厘米（0.8英寸）的钛合金桥。样品是通过连续扫描或孤岛扫描构建的，激光沿着其长度和宽度或以45度角运行。
乍 看，从打印机中出来的桥看起来很相似，但研究人员并未仔细研究它们，而是看了表面的价值。
他们将由同步加速器的强大工具产生的高能X射线照到样品深处。通过测量从金属反射回来的X射线的波长，该小组以高精度提取了金属原子之间的距离。研究人员从那里计算出压力。距离越大，金属承受的压力就越大。掌握了这些关键信息后，他们生成了显示整个样品应力位置和程度的图。
所有样品的应力都接近钛合金的屈服强度，即材料永久变形的时间。但是这些地图揭示了其他令研究人员惊讶的东西。
的物理学 和合著者莱尔·莱文（Lyle Levine）说：“岛状扫描样品的侧面和顶部承受着非常大的应力，在连续扫描样品中这些应力缺失或不那么明显。” “如果孤岛扫描是行业试图减轻这些压力的 种方式，那么我想说，对于这种特殊情况，它远未取得成功。”
在另 项测试中，他们将每个桥的支腿从与之相连的金属基板上拆下。该研究的作者测量了腿向上弹起的距离，从而获得了另 个指标，该指标表明了每座桥的拱内储存了多少残余应力。同样，孤岛扫描样品的性能较差，其腿变形量是其他样品的两倍以上。
作者提出，岛屿扫描可能是 把双刃剑。尽管这些小岛可能会减少收缩，但与更大的熔池相比，这些岛的冷却速度也要快得多，从而产生更大的温度差，从而产生更大的应力。
潘说，尽管孤岛扫描不太适合研究中使用的特定零件，材料和设备，但在不同情况下，它仍然是 个不错的选择。结果确实表明，这并不是解决残余应力的全部方法。为了避免压力，制造商可能需要根据自己的具体情况量身定制扫描策略和其他参数-计算机模型将大大有助于这项工作。
如果预测准确，制造商可以使用模型快速廉价地识别 佳参数，而不必通过反复试验来优化打印效果。Levine说，建模人员可以通过对工具进行严格的基准测试来进行测试，从而增强他们对工具的信心，与新研究中获得的数据不同。
这项工作为流行的打印策略提供了新的视角，为残留应力形成难题增添了关键要素，并 终使3D打印更接近其全部潜能。
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