ORNL 科学家找到避免大尺寸增材制造中残余应力的应对方法

2024年4月12日，南极熊获悉，美国能源部橡树岭国家实验室 (ORNL)的科学家们已经确定了如何避免因材料残余应力引起的高成本且可能无法修复的损坏，这种损坏通常发生在通过增材制造方法制造的大型金属零件上。

业界越来越多地将增材制造视为恢复国内大型金属结构制造能力的途径，其中大部分金属结构已转移到海外。 3D 打印可以用来制造大型零件，而不是在美国重建大型铸造厂，从而缩短供应链并允许工业快速获得所需的工具和其他零件。但首先，需要进行研究以确保 3D 打印部件能够承受打印过程中产生的压力。

ORNL 研究人员通过计算模型确定LFAM 金属零件会在材料内产生相当大的残余应力 (RS)。 RS 积聚会导致热打印过程中形成裂纹，并随着材料冷却而变得更大，渗透金属并造成不可逆转的损坏。

领导这项研究的科学家里廷·马修斯 (Ritin Mathews) 表示，增材制造方法成本高昂、效率低下，并可能导致零件无效和大量材料浪费。由于航空航天、汽车和国防等高价值行业正在迅速、大规模地采用增材制造方法来制造零件，因此这些负面结果的代价可能特别高昂。了解这些裂纹形成的原因以及如何消除它们可以为各个行业带来更可靠的 3D 打印。

Mathews 说：“这适用于任何金属 3D 打印工艺，因为所有增材制造工艺的沉积机制一般都是相似的。”

研究团队找到了一个简单的解决方案：使用堆积过程和由此产生的残余应力的计算建模来指导添加支撑材料，采用圆角和45度斜面形式以消除90度角和尖角。Mathews说：“在关键区域添加材料可以减轻应力的积累。这样的一步是有意为之，可以预防残余应力的聚集，从而降低零部件失效的可能性。”

△由材料水平和垂直轴上的残余应力引起变形的图像。橡树岭国家实验室的研究人员发现，只需在关键区域添加材料即可减轻压力的积累。图片来源：ORNL/美国能源部。

尺寸为米级的零件越来越多地使用采用基于融合的沉积的增材制造技术来制造。在这种大型零件中，与较小的零件相比，RS 及其不利影响可能会被放大。科学家们在计算机上进行建模，以预测当零件积累残余应力时会发生什么，并研究了避免这种情况的方法。

Mathews及其共同作者在发表于第11届CIRP全球网络会议（CIRPe 2023）的一篇题为“Residual stress accumulation in large-scale Ti-6Al-4V wire-arcadditive manufacturing”的论文中写道：“高强度 RS 的存在会导致结构中出现裂纹、降低组件的完整性，导致强度和疲劳特性降低。”其他作者包括 Jaydeep Karandikar、Christopher Tyler 和 Scott Smith，他们都来自 ORNL 的制造科学部门。

相关论文链接：https://doi.org/10.1016/j.procir.2023.09.247

该项目的资金由国防部工业基础分析和维持计划提供。该研究是在橡树岭国家实验室能源部的制造示范设施进行的。 MDF 在能源部先进材料和制造技术办公室的支持下，是一个全国性的合作者联盟，与ORNL 合作，创新、激发和促进美国制造业的转型。

德克萨斯大学巴特尔分校为美国能源部科学办公室管理橡树岭国家实验室，该办公室是美国物理科学研究的最大支持者。