雷尼绍：如何“对抗”金属3D打印残留应力

导读：残留应力是快速加热和快速冷却的必然产物，这是激光粉末床熔融工艺的固有特性。英国金属3D打印厂商雷尼绍总结出“对抗”金属3D打印残留应力的办法。

每一个新的加工层都是通过如下方式形成的：在粉末床上移动聚焦激光，使顶层粉末熔融并与下方的加工层熔合。热熔池中的热量传递至下方的固体金属，这样熔融的金属就会冷却并凝固。这个过程非常迅速，大约只有几微秒。

当新的金属层在下层金属的上表面凝固和冷却时， 会出现收缩现象。但由于受到下方固体结构的限制，这种收缩会导致层与层之间形成剪切力。

激光在固体基体的顶部熔融粉末形成新的焊道（左）

激光沿扫描矢量移动并熔融粉末，在热量传递至下方的固体金属之后，熔融粉末冷却下来。金属在冷却凝固的过程中收缩，从而与下一层之间形成剪切力（右）

残留应力具有破坏性。当我们在一个加工层的上方增加新的加工层时，应力会随之形成并累积，这可能导致零件变形，使其边缘卷起，甚至脱离支撑。

在比较极端的情况下，应力可能会超出零件的强度，造成组件破坏性开裂或加工托盘变形。

这些效应在横截面较大的零件中最为明显，因此此类零件的焊道往往较长，因而剪切力作用的距离更长。

最大程度减小残留应力
解决这个问题的方法之一是改变扫描策略，选择最适合所加工的零件几何形状的方法。
当我们用激光轨迹填充零件中心时，通常会来回移动激光，这个过程称为“扫描”。
我们所选择的模式会影响扫描矢量的长度，因而也会影响可能在零件上累积的应力水平。扫描矢量越短，则残留应力越小。

迂回扫描模式
•  每层扫描完成后旋转67°
•  加工效率较高
•  残留应力逐渐增加
•  适合较小和较薄的特征

条纹扫描模式
•  残留应力分布均匀
•  适合大型零件
•  加工效率高于棋盘扫描模式

棋盘扫描模式
•  每层分为若干个5 x 5 mm的岛状区域
•  每层扫描完成后将整体模式和每个岛状区域旋转67°
•  残留应力分布均匀
•  适合大型零件

我们也可以在从一个加工层移至下一个加工层时旋转扫描矢量的方向，这样一来，应力就不会全部集中在同一个平面上。
每层之间通常旋转67度，以确保在加工完许多层之后扫描方向才会完全重复。
加热加工托盘也是减少残留应力的一种方法，此外，序后热处理也可以减少累积的应力。

残留应力设计建议
通过设计最大程度消除残留应力
•  避免大面积不间断熔融
•  注意横截面的变化
•  混合加工，将较厚的底板整合到增材制造零件中
•  在应力可能较高的位置使用较厚的加工托盘
•  选择合适的扫描策略

来源：雷尼绍