更智能的3D打印可以更快地制造更好的零件

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导读：得益于密歇根大学开发的新软件，3D打印机可能很快就能更好地生产复杂的金属和塑料零件，该软件可以减少激光粉末床聚变打印机中有害的热量积聚。

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在最近的一项研究中，这款名为SmartScan的软件显示热量分布改善了41%，变形减少了47%。它还可能通过两种方式加快制造过程：减少打印机减速以帮助冷却的需要，以及显著减少打印后必须纠正的由热引起的缺陷。

激光粉末床熔接是一种3D打印形式，用于航空航天、汽车和生物医药行业，以制造过于复杂而无法用常规制造的零件。它使用激光将金属粉末或塑料层熔合在一起。但激光的热量会积聚在打印的精密零件上，导致变形和其他缺陷。

密歇根大学机械工程副教授、《增材制造》的通讯作者Chinedum Okwudire说：“对于具有超薄特征的零件，这个问题变得更加严重。热量没有太大的传播空间，所以需要聪明地移动激光，否则零件会以非常奇怪的方式变形。”

SmartScan通过考虑给定零件内的热量流动，并映射优化的扫描顺序来限制任何给定区域内的热量积聚，从而解决了该问题。它分析了零件的形状和所用材料的热性能，包括传导和对流传热。

（a）Island编号模板；（b）LHI和（c）建议的智能扫描方法的Island扫描序列的彩色图。

该领域的其他人已经试验了不同的打印模式以减少热量积聚，例如从一个区域跳到另一个区域或在水平和垂直扫描方向之间交替。但Okwudire说，SmartScan是第一个使用热模型来优化引导激光以更均匀地分布热量的解决方案。

为了确定SmartScan第一版的有效性，研究人员使用激光在两块不锈钢板上压印相同的图案。他们对第一块印版使用SmartScan流程，对第二块印版使用传统打印模式。与其他方法相比，使用SmartScan制作的印刷品在标记过程中始终变形较小，并且显示出更均匀的热量分布。

使用研究中的四个Island扫描序列测量6cm x 6cm AISI 316l不锈钢板的变形剖面。括号内的数字分别是每个板的最大和平均变形，单位为mm。请注意，提出的SmartScan显示的变形明显低于竞争的启发式方法。

根据实验结果，团队相信，通过进一步研究，他们将能够采用SmartScan构建完整的3D零件。他们计划进一步改进该软件，将金属或塑料粉末的熔化纳入其热建模中，并在打印过程中根据使用红外相机实时观察到的温度测量，主动更新扫描序列。

“结果非常有希望，我们得到了很多积极的反馈。”Okwudire说，他已经开始向行业合作伙伴演示该软件。“我们选择了一个简单的模型，因为它很有效，而且比今天使用的试错法效果更好。我们希望专注于一个实用的方向，真正有机会有所作为。”

这项研究发表在《增材制造》杂志上。

实验测量了6cmx 6cm AISI 316l不锈钢板在扫描过程中的四种情况下条纹扫描图案的温度分布。提出的智能扫描比其他启发式方法显示出更均匀的温度分布。

来源：SmartScan: An intelligent scanning approach for uniform thermal distribution, reduced residual stresses and deformations in PBF additive manufacturing, Additive Manufacturing (2022). DOI: 10.1016/j.addma.2022.102643