ORNL開(kāi)發(fā)解決方案應(yīng)對(duì)3D打印金屬結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力難題

2024年3月27日，南極熊獲悉，美國(guó)能源部橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）的研究人員宣稱，通過(guò)研究已確定如何避免3D打印在制造大型金屬部件時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致昂貴且難以修復(fù)的損壞。這種損壞是由材料中殘留的應(yīng)力引起。

△該研究已發(fā)表，題目為“大規(guī)模Ti-6Al-4V線弧增材制造中的殘余應(yīng)力積累”(傳送門)

研究技術(shù)背景

美國(guó)業(yè)界越來(lái)越多地將增材制造視為恢復(fù)國(guó)內(nèi)大型金屬結(jié)構(gòu)制造能力的途徑。3D打印可以用來(lái)制造大型零件，而不是在美國(guó)重建大型鑄造廠。這樣可以縮短供應(yīng)鏈，使行業(yè)能夠快速獲得所需的工具和其他零件。但首先，需要進(jìn)行研究以確保3D打印零件能夠承受打印過(guò)程中產(chǎn)生的壓力。

△通過(guò)有限元分析技術(shù)(FEA)對(duì)增材制造過(guò)程進(jìn)行數(shù)值建模，可以幫助預(yù)測(cè)在大型增材制造部件中可能出現(xiàn)的變形、殘余應(yīng)力積累以及裂紋形成的潛在情況

橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員通過(guò)計(jì)算模型確定，大規(guī)模增材制造的金屬零件會(huì)在材料內(nèi)產(chǎn)生相當(dāng)大的殘余應(yīng)力（RS）。RS堆積會(huì)導(dǎo)致熱打印過(guò)程中形成裂紋，并隨著材料冷卻而變得更大，滲透金屬并造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞。

領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的研究人員Ritin Mathews表示，這種做法成本高昂且效率低下，可能會(huì)導(dǎo)致零件無(wú)效和大量材料浪費(fèi)。由于航空航天、汽車和國(guó)防等高價(jià)值行業(yè)正在迅速采用大規(guī)模增材制造方法來(lái)制造零件，因此這些負(fù)面結(jié)果的代價(jià)可能特別高昂。了解這些裂紋形成的原因以及如何消除它們可以為各個(gè)行業(yè)帶來(lái)更可靠的3D打印技術(shù)。

Mathews補(bǔ)充道：“這適用于任何金屬3D打印工藝，因?yàn)樗��?D打印工藝的一般沉積機(jī)制都是相似的。”

△顯示由材料水平和垂直軸上的殘余應(yīng)力引起的變形的圖像。橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員發(fā)現(xiàn)，只需在關(guān)鍵區(qū)域添加材料即可減輕壓力的積累

解決3D打印殘余應(yīng)力積累的辦法

研究小組找到了一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案： 利用沉積過(guò)程的計(jì)算建模和由此產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，以圓角或45度倒角的形式添加支撐材料，消除90度角和尖角。"

Mathews說(shuō)："在關(guān)鍵區(qū)域添加材料可減輕應(yīng)力的積累。這一步驟可有意防止RS集中，從而降低零件失效的可能性�！�

△研究結(jié)果表面，材料沉積模式也會(huì)影響制件中的殘余應(yīng)力

尺寸為米級(jí)的零件越來(lái)越多地使用采用基于融合的沉積的增材制造技術(shù)來(lái)制造。在這種大型零件中，與較小的零件相比，RS及其不利影響可能會(huì)被放大。Mathews和他的合著者在第11屆CIRP全球網(wǎng)絡(luò)會(huì)議上發(fā)表的一篇論文中寫(xiě)道：“高強(qiáng)度RS的存在會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)裂紋……降低部件的完整性，導(dǎo)致強(qiáng)度和疲勞特性降低。”

該項(xiàng)目由美國(guó)國(guó)防部工業(yè)基礎(chǔ)分析和維持計(jì)劃提供資金支持。研究在位于ORNL的能源部制造示范設(shè)施進(jìn)行。制造示范設(shè)施由能源部先進(jìn)材料和制造技術(shù)辦公室支持，是一個(gè)全國(guó)性的合作聯(lián)盟，與ORNL合作創(chuàng)新、激勵(lì)和促進(jìn)美國(guó)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型。