Denna bild visar processen för att bygga och glödga ett rektangulärt block av rostfritt stål 316L. Den första och andra panelen är den fokuserade skanningslasern som smälter pulverskiktet till den underliggande delen. Den tredje panelen är dioden som slås på och belyser ytan på delen för att värma och glöda den. Den sista panelen är precis efter att dioden stängts av, visar att blocket är vid hög temperatur (> 950 ° C). Upphovsman:Lawrence Livermore National Laboratory
Vid 3D-utskrift, restspänning kan byggas upp i delar under tryckprocessen på grund av expansion av uppvärmt material och sammandragning av kallt material, generera krafter som kan snedvrida delen och orsaka sprickor som kan försvaga eller riva en del i bitar, särskilt i metaller.
Forskare vid Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) och University of California, Davis hanterar problemet genom att använda laserdioder-kraftfulla lasrar som lånats från teknik som skapats för LLNL:s National Ignition Facility (NIF)-för att snabbt värma de tryckta skikten under en byggnad. Den nya tekniken, beskrivs i ett papper publicerat online av tidskriften Additive Manufacturing, resulterade i minskning av effektiv restspänning i metall-3D-tryckta testdelar med 90 procent, genom att göra det möjligt för forskare att minska temperaturgradienten (skillnaden mellan varma och kalla extrema) och kontrollera kylhastigheter.
"I metaller är det verkligen svårt att övervinna dessa påfrestningar, "sade tidningens huvudförfattare John Roehling." Det har varit mycket arbete med att försöka göra saker som att ändra skanningsstrategin för att omfördela restspänningarna, men i princip var vårt tillvägagångssätt att bli av med dem när vi bygger delen, så du har inga problem. Med denna metod, Vi kan effektivt bli av med kvarvarande påfrestningar till den grad att du inte har några fel under byggnaden längre. "
För studiens syfte, LLNL-ingenjör och medförfattare Will Smith byggde små, broliknande strukturer från 316L rostfritt stål med laserpulverbäddssmältningsprocessen (LPBF). Han lät varje lager stelna innan han belyste sina ytor med dioderna, initialt med full effekt och omedelbart sänka intensiteten under en period av 20 sekunder. Resultatet var ungefär som att sätta delen i en ugn efter varje lager, när yttemperaturen nådde cirka 1, 000 grader Celsius (1, 832 grader Fahrenheit).
De färdiga delarna, med sina tjocka ben och tunna överhängssektion, tillät forskare att mäta hur mycket kvarvarande stress som avlastades genom att klippa av ett av benen och analysera hur mycket den svagare överhängssektionen rörde sig. När dioderna användes, bron avböjde inte längre, sa forskare.
"Att bygga delarna liknade hur en vanlig metall-3D-skrivare fungerar, men den nya delen av vår maskin är att vi använder en sekundär laser som projicerar över ett större område och som eftervärmer delen efteråt-det höjer temperaturen snabbt och sakta kyler ner det på ett kontrollerat sätt, "Smith sa." När vi använde dioderna, vi såg att det fanns en trend i minskningen av kvarvarande stress, och det jämfört med vad som görs traditionellt genom att glöda en del i en ugn efteråt. Detta var ett bra resultat, och det var lovande hur effektiv vår teknik var. "
Tillvägagångssättet är en utlösning till ett tidigare projekt där laserdioder, utvecklad för att jämna ut lasrar i NIF, användes för att 3D-skriva ut hela metallskikt i ett skott. Det bäst andra vanliga metoder för att minska kvarvarande spänning i metalldelar, som att ändra skanningsstrategin eller använda en uppvärmd byggplatta, Sa Roehling. Eftersom tillvägagångssättet värms uppifrån, det finns ingen gräns för hur höga delarna kan vara.
Forskare kommer därefter att utföra en mer fördjupad studie, riktar uppmärksamheten mot att öka antalet lager per uppvärmningscykel för att se om de kan minska kvarvarande spänning i samma grad, försöka mer komplexa delar och använda mer kvantitativa tekniker för att få en mer ingående förståelse av processen.
"Denna teknik är något som kan skalas upp, för just nu projicerar vi över ett relativt litet område och det finns fortfarande mycket utrymme för förbättringar, "Sa Smith." Genom att lägga till fler av diodlasrarna, vi kan lägga till mer värmeområde om någon vill integrera detta i ett system med ett större utskriftsområde. "
Mer viktigt, Roehling sa, forskare kommer att utforska kontroll av fasomvandlingar i titanlegering (Ti64). Vanligtvis, när man bygger med Ti64, fasomvandling gör att metallen blir extremt spröd, får delar att spricka. Om forskare kunde undvika omvandlingen genom att kyla delen långsamt, det kan göra materialet segt nog att uppfylla flyg- och rymdstandarder, Roehling sa, tillägger att preliminära resultat är lovande.
