雷尼紹：如何“對抗”金屬3D打印殘留應力

導讀：殘留應力是快速加熱和快速冷卻的必然產物，這是激光粉末床熔融工藝的固有特性。英國金屬3D打印廠商雷尼紹總結出“對抗”金屬3D打印殘留應力的辦法。

每一個新的加工層都是通過如下方式形成的：在粉末床上移動聚焦激光，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冷卻并凝固。這個過程非常迅速，大約只有幾微秒。

當新的金屬層在下層金屬的上表面凝固和冷卻時， 會出現收縮現象。但由于受到下方固體結構的限制，這種收縮會導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）

殘留應力具有破壞性。當我們在一個加工層的上方增加新的加工層時，應力會隨之形成并累積，這可能導致零件變形，使其邊緣卷起，甚至脫離支撐。

在比較極端的情況下，應力可能會超出零件的強度，造成組件破壞性開裂或加工托盤變形。

這些效應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，因而剪切力作用的距離更長。

最大程度減小殘留應力
解決這個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。
當我們用激光軌跡填充零件中心時，通常會來回移動激光，這個過程稱為“掃描”。
我們所選擇的模式會影響掃描矢量的長度，因而也會影響可能在零件上累積的應力水平。掃描矢量越短，則殘留應力越小。

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

條紋掃描模式
•  殘留應力分布均勻
•  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島狀區(qū)域旋轉67°
•  殘留應力分布均勻
•  適合大型零件

我們也可以在從一個加工層移至下一個加工層時旋轉掃描矢量的方向，這樣一來，應力就不會全部集中在同一個平面上。
每層之間通常旋轉67度，以確保在加工完許多層之后掃描方向才會完全重復。
加熱加工托盤也是減少殘留應力的一種方法，此外，序后熱處理也可以減少累積的應力。

殘留應力設計建議
通過設計最大程度消除殘留應力
•  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