對於製造商而言，3D 打印或增材製造提供了一種製造複雜形狀零件的方法，這些零件比傳統方法製造的零件更耐用、更輕、更環保。 這個行業正在蓬勃發展。 有人預測，它的規模將每三年翻一番，但它的快速發展也存在一系列問題。

殘餘應力是金屬印刷過程中反復加熱和冷卻的副產品。 它可能會導致部件出現缺陷，並且在某些情況下可能會損壞打印機。 為了更好地了解殘餘應力是如何形成的以及如何抑制它，來自美國國家標準與技術研究院（NIST）、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室、洛斯阿拉莫斯國家實驗室（Los Alamos Alamos National Laboratory）等研究機構的研究人員仔細研究了不同印刷圖案對普通激光方法製造的鈦合金零件的影響。

研究人員測試了四種不同的印刷圖案，其中激光要么在金屬粉末中連續來回熔化，要么在不同的方形島中熔化，並平行於零件的長邊或對角線延伸。

他們發表在《增材製造》雜誌上的研究結果表明，一種稱為“島掃描”的印刷圖案在所有研究方法中表現最差，與團隊的預期不符。 . 他們生成的數據可以幫助製造商測試和改進 3D 打印的預測模型。 如果模型準確，它們可以避免殘餘應力的破壞性水平。

這是非常令人驚訝的，並突出了問題的複雜性。 該研究的合著者和 NIST 材料研究工程師 Thien Phan 表示，這表明儘管孤島掃描在許多情況下可能有效，但它在工作中不起作用，這真正強調了我們需要精確建模的事實。

NIST 和其他機構的研究人員使用基於激光的方法來 3D 打印四個微型金屬橋，每個橋都由不同的打印圖案（線條廣告）製成。 研究小組測量了橋內三個不同方向的張力（紅色）和壓縮（藍色）水平，並確定了一些樣品邊緣的垂直拉伸水平。

該團隊的研究重點是一種流行的增材製造方法，稱為激光粉末床融合 (LPBF)。 在這種方法中，激光掃描一層金屬粉末，將表面上的顆粒以預定圖案熔化並融合在一起。 . 當熔融金屬冷卻成固體時，支撐材料的工作台下降，打印機在上面添加一層新的粉末，讓激光繼續逐層製造零件。

一旦建築物的二層開始，殘餘應力就開始上升。 LPBF 中使用的金屬冷卻很快，這意味著當打印機的激光開始加熱新層時，前一層中的金屬已經是固體。 熔融金屬層在冷卻時向內收縮，將固體金屬拉到下方並產生壓力。 溫差越大，熔層的拉力越大。 對每一層重複此過程，直到零件完成，從而鎖定固體金屬中的應力。

Phan 說，你最終會在工件內部產生令人難以置信的殘餘應力。 殘餘應力會使零件破裂並在製造過程中升高，這實際上會使機器崩潰。

LPBF 中最簡單的打印模式是連續掃描，其中激光從一端到另一端來回掃描。 但是，另一種叫做島嶼掃描的替代方法已經成為緩解壓力的一種方式。 這種方法背後的想法是，一次熔化一小部分金屬或島，而不是整個層，可以減少金屬的收縮，同時降低整體壓力。

孤島掃描獲得了廠商的青睞，但以往對這項技術的研究並不一致。 更廣泛地說，掃描策略和殘餘應力之間的關係在很大程度上仍然是個謎。 為了填補這些空白，多機構團隊開始詳細分析島嶼掃描對壓力的影響。

這項新研究的作者打印了四個長度超過 2 厘米（0.8 英寸）的鈦合金橋。 這些樣品是通過連續或孤島掃描產生的，激光沿著樣品的長度和寬度或以 45 度角運行。

乍一看，這些橋似乎是打印機打印出來的，但研究人員並沒有隻看表面值，而是仔細研究了它們的細節。

他們使用一種稱為同步加速器的強大工具向樣品深處發射高能 X 射線。 通過測量金屬反射的 X 射線的波長，該團隊準確地提取了金屬原子之間的距離。 從那裡，研究人員計算了壓力。 距離越大，對金屬的壓力就越大。 在掌握了這些關鍵信息後，他們生成了一張地圖，顯示了整個樣本中的應力位置和程度。

所有樣品的應力都接近於鈦合金的屈服強度——材料發生永久變形的強度點。 但這些地圖也揭示了一些讓研究人員感到驚訝的事情。

NIST 物理學家和合著者 Lyle Levine 表示，島狀掃描樣本的側面和頂部有很多應力，這在連續掃描樣本中並不明顯，或者不那麼明顯。 如果孤島掃描是行業試圖緩解這些壓力的一種方式，我想說，對於這種特殊情況，它遠非成功。

在另一項測試中，他們從金屬基板上移除了每個橋的一個腿。 該研究的作者測量了橋腿向上彈起的距離，從而獲得了存儲在每座橋拱頂中的殘餘應力的另一種測量值。 同樣，島狀掃描樣本表現不佳，它們的腿偏轉是其他樣本的兩倍多。

作者認為島嶼掃描可能是一把雙刃劍。 雖然小島可以減少收縮，但島也可能比大熔池冷卻得更快，從而產生更大的溫差，從而產生更大的壓力。

潘說，雖然島狀掃描不適合研究使用的具體部件、材料和設備，但在不同情況下仍然是一個不錯的選擇。 然而，結果確實表明它不是解決殘餘應力的靈丹妙藥。 為了避免壓力，廠商可能需要根據自己的具體機型調整掃描策略和其他參數——電腦機型對這項工作有很大幫助。

如果預測準確，製造商可以使用該模型快速、廉價地確定最佳參數，而不是通過反複試驗來優化打印。 Levine 表示，建模者可以通過嚴格的基準測量來測試他們的工具，就像在新研究中獲得的數據一樣，從而增加他們對工具的信心。

這項工作為流行的打印策略提供了新的視角，為殘餘應力形成的難題增添了一個關鍵部分，並最終使 3D 打印更接近其全部潛力。

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