大功率激光二极管，可降低金属3D打印90%残余应力！

在3D打印中，由于加热材料的膨胀和冷材料的收缩，残余应力会在打印过程中在零件中累积，产生的力会使零件变形，并导致裂纹，使零件变弱或撕成碎片，尤其是在金属中。劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)和加州大学戴维斯分校的研究人员正在利用激光二极管来解决这个问题。二极管是从LLNL国家点火装置(NIF)中借来的大功率激光器，在建造过程中快速加热打印层，其研究成功发表在《Additive Manufacturing》上。

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通过使研究人员能够降低温度梯度(冷热极值之差)和控制冷却速度，该技术将金属3D打印测试部件的有效残余应力降低了90%。论文的第一作者约翰·罗林(John Roehling)说：在金属领域，真的很难克服这些压力，我们已经做了很多工作，试图改变扫描策略来重新分配残余应力，但基本方法是在构建部件时消除它们，这样就不会有任何这些问题。使用这种方法，可以有效地消除残余应力，使其在构建过程中不再出现部件故障。

为了研究，LLNL的工程师和共同第一作者Will Smith用316L不锈钢用激光粉末熔床(LPBF)工艺建造了小型桥梁状结构。先让每一层固化，然后用二极管照亮表面，一开始是全功率，然后在20秒内迅速降低强度。结果就像把零件放在每一层之后的炉子里，因为表面温度达到了大约1000摄氏度(1832华氏度)。成品的腿很粗，悬垂部分很薄，研究人员可以通过切断其中一条腿，分析较弱的悬垂部分移动了多少。


来测量残余应力减轻了多少，当使用二极管时，桥不再偏转。制造这些部件与普通金属3d打印机的工作原理类似，但该研究的机器创新之处在于，使用了二次激光，它投射到更大的区域，然后对部件进行后加热——它会迅速升高温度，然后以可控的方式慢慢冷却。当使用二极管时，发现有减少残余应力的趋势，这与传统上在烤箱中退火零件的做法相比较。这是一个很好的结果，也显示了技术是多么有效。该方法是之前一个项目的一个分支。

在该项目中，激光二极管(开发用于在NIF中平滑激光)被用于一次3d打印整个金属层。这种方法优于其他降低金属零件残余应力的常用方法，如改变扫描策略或使用加热构建板。因为这种方法是从顶部加热的，所以零件的高度没有限制。研究人员下一步将进行更深入的研究，将注意力转向增加每加热循环的层数，看看他们是否能在相同程度上减少残余应力，尝试更复杂的零件，并使用更多的定量技术，以获得对过程更深入的了解。这项技术可以扩大规模。
△图. a）二极管退火系统的示意图。 b）a）中虚线的详细线条图，显示了靠近构建板的激光扫描仪和二向色镜。 c）连接到1英寸构建板的桥的图像，该构建板是为研究而构建的，与所使用的两个掩模形状叠加。 d）图表显示二极管功率的下降伴随二极管退火过程。

△图. a）来自不同实验的残余应力释放。 每个数据点是使用相同条件构建的3个独立桥的平均值。 显示的误差条是一个标准偏差。 炉退火数据（也从3个独立的桥测量）显示为虚线，误差条显示为彩色带。 b）二极管退火工艺的测量温度（1.83W / mm 2）。 该图显示了在桥上垂直整合的平均温度。 黑色虚线表示用于图3的测量区域的位置。白色虚线表示桥接部分的位置。 请注意，桥以45°角观察，因此桥的长度看起来更短。


△图.从中心测量的温度（图2b中的黑色虚线）a）0.5 mm处的2 x 2 mm桥梁和b）悬伸部分中1.5 mm厚度。 第一个峰值是由于激光通过。 虚线表示在每个实验中使用的二极管的功率密度分布，绘制在右轴上。 温度测量误差约为25°C（保守估计）。

△图. a）无二极管的电子背散射衍射晶体取向图，b）2.22W / mm 2二极管退火，和c）1000℃炉退火桥。 d）粒度分布在构建之间是可比较的。 a）中的插图显示了FCC材料的标准取向三角形（微观结构由奥氏体不锈钢组成）。

因为目前只是在一个相对较小的领域进行规划，仍然有很大的改进空间。通过增加更多的二极管激光器，可以增加更多的加热面积，如果有人想把它集成到一个打印面积更大的系统中。更重要的是，研究人员将探索控制钛合金(Ti64)的相变。通常，当使用Ti64构建时，相变会导致金属变得非常脆弱，导致部件开裂。如果研究人员能够通过缓慢冷却零件来避免这种转变，就能使材料的延展性达到航空航天标准。


这成功地证明了在激光粉末床熔合过程中通过原位二极管退火可以消除残余应力。通过原位控制材料的表面温度，在增材制造期间可以有效地减少残余应力。在没有晶粒生长或再结晶的316L不锈钢桥结构中实现了90％的残余应力降低，并且凝固结构仅有微小变化。发现退火期间达到的峰值温度比退火温度下的停留时间具有更大的影响。通过优化原位二极管退火工艺的频率（即，每个加热周期的层数），功率分布的斜率和二极管光强度的空间分布，可以进一步改进方案。通过直接制造无应力部件，无论高度如何，这种方法可以用于降低LPBF期间的风险，并且不需要减压后处理。

博科园｜研究/来自：劳伦斯利弗莫尔国家实验室参考期刊《Additive Manufacturing》DOI: 10.1016/j.addma.2019.05.009论文全文https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2214860419300867

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