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LLNL研發(fā)新技術(shù) 利用激光二極管降低金屬3D打印的殘余應(yīng)力

星之球科技 來源:博科園2019-07-12 我要評論(0 )   

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

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?月8日,記者了解到,勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(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。

LLNL研發(fā)新技術(shù) 利用激光二極管降低金屬3D打印的殘余應(yīng)力
來測量殘余應(yīng)力減輕了多少,當使用二極管時,橋不再偏轉(zhuǎn)。制造這些部件與普通金屬3d打印機的工作原理類似,但該研究的機器創(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)可以擴大規(guī)模。

LLNL研發(fā)新技術(shù) 利用激光二極管降低金屬3D打印的殘余應(yīng)力
因為目前只是在一個相對較小的領(lǐng)域進行規(guī)劃,仍然有很大的改進空間。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到航空航天標準。

 

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