Исследовательская группа обнаружила, что метод, обычно используемый для решения одной из самых больших проблем 3D-печати металлом, может быть далек от серебряной пули.
Производителям 3D-печать или аддитивное производство предоставляют средства для создания деталей сложной формы, которые являются более прочными, легкими и экологически безопасными, чем те, которые изготавливаются традиционными методами. Отрасль бурно развивается, и некоторые предсказывают ее удвоение каждые три года, но рост часто идет рука об руку с проблемами роста.
Остаточное напряжение, являющееся побочным продуктом многократного нагрева и охлаждения, характерного для процессов печати металлом, может привести к дефектам деталей и, в некоторых случаях, к повреждению принтеров. Чтобы лучше понять, как формируется остаточное напряжение и как его можно обуздать, исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST), Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса, Лос-Аламосской национальной лаборатории и других учреждений внимательно изучили влияние различных рисунков печати на титане. детали из сплава, изготовленные с использованием обычного лазерного метода.
Их результаты, опубликованные в журнале «Аддитивное производство», показывают, что схема печати, часто используемая в промышленности для снижения остаточного напряжения, известная как островное сканирование, показала наихудшие результаты среди изученных подходов, не оправдав ожиданий команды. Полученные данные могут помочь производителям тестировать и улучшать прогностические модели для 3D-печати, которые, если они будут точными, смогут увести их от разрушительных уровней остаточного напряжения.
«Это было очень неожиданно и подчеркивает сложность проблемы», - сказал инженер-исследователь материалов NIST Тьен Фан, соавтор исследования.«Это показывает, что, хотя сканирование островов может работать во многих случаях, оно не сработало в нашем случае, что действительно подчеркивает тот факт, что нам необходимо точное моделирование».
Исследование группы было сосредоточено на распространенном методе аддитивного производства, называемом лазерным порошковым сплавом (LPBF), в котором лазер сканирует слой металлического порошка по заданной схеме, расплавляя и сплавляя частицы на поверхности вместе. По мере того как расплавленный металл остывает и превращается в твердое тело, платформа, поддерживающая материал, опускается, и принтер наносит сверху новый слой порошка, позволяя лазеру продолжать строить деталь слой за слоем.
Как только начинается второй слой сборки, остаточное напряжение начинает поднимать свою неприятную голову. Металлы, используемые в LPBF, быстро остывают, а это означает, что к тому времени, когда лазер принтера начинает нагревать новый слой, металл предыдущего слоя уже затвердеет. Расплавленные слои сжимаются внутрь по мере охлаждения, натягивая твердый металл под ним и создавая напряжение. И чем больше разница температур, тем сильнее тянет расплавленный слой. Этот процесс повторяется для каждого слоя, пока деталь не будет завершена, фиксируя напряжения в твердом металле.
«В конечном итоге вы получаете невероятное количество остаточных напряжений внутри вашего изделия», - сказал Фан. «Итак, он сидит там, разрывая себя на части. Остаточное напряжение может расколоть деталь и поднять ее во время сборки, что может привести к поломке машины».
Самая простая схема печати в LPBF - это непрерывное сканирование, при котором лазер сканирует взад и вперед от одного конца детали к другому. Но альтернативный вариант, называемый сканированием островков, появился как способ смягчить стресс. Идея, лежащая в основе этого подхода, заключается в том, что плавление небольших участков или островков металла по одному, а не всего слоя, приведет к одновременному меньшему сжатию металла, что снизит общее напряжение.
Сканирование островов завоевало популярность у производителей, но прошлые исследования этой техники были противоречивыми. И в более широком смысле связь между стратегиями сканирования и остаточным напряжением во многом остается загадкой. Чтобы начать заполнять эти пробелы, команда из нескольких учреждений приступила к детальному анализу влияния сканирования островков на стресс.
Авторы нового исследования напечатали четыре моста из титанового сплава длиной чуть более 2 сантиметров (0,8 дюйма). Образцы были построены с помощью непрерывного или островкового сканирования, при этом лазеры двигались по их длине и ширине или под углом 45 градусов.
На первый взгляд мосты выглядели похожими после выхода из принтера, но вместо того, чтобы принять их за чистую монету, исследователи тщательно изучили их.
Они направляли высокоэнергетическое рентгеновское излучение, генерируемое мощным инструментом, называемым синхротроном, глубоко в образцы. Измеряя длины волн рентгеновских лучей, отражающихся от металла, команда с высокой точностью определила расстояния между атомами металла. Оттуда исследователи рассчитали стресс. Чем больше расстояния, тем сильнее напрягается металл. Имея в руках эту важную информацию, они создали карты, показывающие расположение и степень напряжения во всех образцах.
Все образцы содержали напряжения, близкие к пределу текучести титанового сплава - точке, при которой материал подвергается остаточной деформации. Но карты выявили еще кое-что, что застало исследователей врасплох.
«Образцы островного сканирования имеют эти действительно большие напряжения по бокам и вершинам, которые отсутствуют или гораздо менее выражены в образцах непрерывного сканирования», - сказал физик NIST и соавтор Лайл Левин. «Если сканирование островов - это способ, с помощью которого промышленность пытается смягчить эти нагрузки, я бы сказал, что в данном конкретном случае он далеко не успешен».
В другом тесте они отсоединили ногу каждого моста от металлических опорных пластин, к которым он был прикреплен. Авторы исследования измерили расстояние, на которое ноги подпрыгнули вверх, получив еще один показатель того, сколько остаточного напряжения сохраняется внутри арки каждого моста. Опять же, образцы островного сканирования показали себя плохо, их ноги отклонялись более чем в два раза больше, чем другие образцы.
Авторы предполагают, что сканирование островов может быть обоюдоострым мечом. Хотя небольшой размер островов может уменьшить сжатие, они также могут остывать намного быстрее, чем более крупные бассейны расплава, создавая большую разницу температур и, следовательно, большее напряжение.
Хотя островное сканирование не очень хорошо подходило для конкретной части, материала и оборудования, использованных в исследовании, оно все же может быть хорошим выбором при различных обстоятельствах, сказал Фан. Однако результаты показывают, что это не панацея от остаточного стресса. Чтобы избежать стресса, производителям может потребоваться адаптировать стратегию сканирования и другие параметры к их конкретной сборке, и в этом очень помогут компьютерные модели.
Вместо того, чтобы оптимизировать печать методом проб и ошибок, производители могут использовать модели для быстрого и недорогого определения наилучших параметров, если их прогнозы точны. По словам Левин, разработчики моделей могут повысить уверенность в своих инструментах, протестировав их на основе тщательно разработанных эталонных измерений, мало чем отличающихся от данных, полученных в новом исследовании..
Эта работа дает новый взгляд на популярную стратегию печати, добавляя ключевой элемент к загадке образования остаточных напряжений и, в конечном счете, делая 3D-печать на шаг ближе к ее полному потенциалу.