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金屬3D打印技術解析之如何減少殘余應力

知識百科

金屬3D打印近幾年發展的如火如荼， 已經被逐漸運用到了各行各業：航空航天、汽車、醫療等等 。 其優勢在于可以做到零件輕量化個性化設計， 可以解決一些傳統加工制造方式無法做到的技術難題， 然而從技術層面上來說在3D打印過程中會存在的許多問題使得我們的設計不能按照預想的被打印出來， 有以下原因：殘余應力， 零件擺放， 支撐， 零件優化等 。 那么今天我們就詳細介紹一下殘余應力對金屬3D打印過程造成的影響以及我們應該如何避免吧！

金屬3D打印技術解析之如何減少殘余應力

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殘余應力：殘余應力是快速加熱和冷卻的必然產物， 這是激光粉末床熔化工藝的固有特性 。
每一個新的加工層都是通過如下方式構建的：在粉末床上移動聚焦激光， 熔化粉末頂層并將其與下方的一個加工層熔合 。 熱熔池中的熱量會傳遞至下方的固體金屬， 這樣熔融的金屬就會冷卻并凝固 。 這一過程非常迅速， 大約只有幾微秒 。 新的金屬層在下層金屬的上表面凝固和冷卻時會出現收縮現象， 但由于受到下方固體結構的限制， 其收縮會導致層與層之間形成剪切力 。
金屬3D打印技術解析之如何減少殘余應力

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激光在固體基體的頂部熔融金屬形成新的焊道（左） 。 激光沿著掃描矢量移動并熔融粉末， 隨后通過將熱量傳遞至下方的固體金屬， 熔融后的粉末開始冷卻 。 凝固后， 冷卻金屬收縮， 該金屬層與下一層之間就會形成剪切力（右）殘留應力具有破壞性 。 當我們在一個加工層頂部增加另一個加工層時， 應力隨之形成并累積， 這可能導致零件變形， 其邊緣卷起， 之后可能會脫離支撐， 在零件下表面較大且貼合基板的情況下， 零件邊緣會脫離基板：
金屬3D打印技術解析之如何減少殘余應力

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在比較極端的情況下， 應力可能會超出零件的強度， 造成組件破壞性開裂或基板變形：這些情況一般出現在較大截面的零件中， 由于界面過大導致剪切力作用的距離更長， 從而導致零件變形或基板變形 。
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優化設計
【金屬3D打印技術解析之如何減少殘余應力】對于這種情況， 首先我們應在設計時就考慮到應力的問題， 也就是優化設計， 盡量的去避免大面積不間斷燒結 。 盡量選取厚一些的基板， 基板加熱也是可以減輕此類問題， 例如打印316L不銹鋼材料大部分廠家的加熱溫度為80攝氏度 。
改變掃描方式
當我們用激光燒結基板上方金屬粉末時， 激光會沿著一定的路徑和和幾何形狀來填充零件 。 通常這個過程會來回移動激光， 這個過程叫做掃描 。 掃描方式有很多種， 例如條紋掃描， 內外螺旋掃描， 傾斜分區掃描等 。
以傾斜分區掃描為例， 此類掃描也是大部分零件打印時的掃描方式 。 我們可以通過改變激光的掃描方式來減少零件上的殘余應力， 在從一個加工層移至下一個加工層時旋轉掃描矢量的方向， 這樣一來， 應力就不會全部在同一平面上集中， 每層之間通常旋轉67度， 以確保在加工完許多層后掃描方向才會完全重復 。
      以上就是一些常用的改善應力殘留的方法， 但這些方法只適用于在打印的過程中來改善， 而最佳方案則是在設計過程中就考慮到應力殘留的問題從而避免 。