ORNL開發(fā)解決方案應對3D打印金屬結構中的殘余應力難題

2024年3月27日，南極熊獲悉，美國能源部橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的研究人員宣稱，通過研究已確定如何避免3D打印在制造大型金屬部件時可能會導致昂貴且難以修復的損壞。這種損壞是由材料中殘留的應力引起。

△該研究已發(fā)表，題目為“大規(guī)模Ti-6Al-4V線弧增材制造中的殘余應力積累”(傳送門)

研究技術背景

美國業(yè)界越來越多地將增材制造視為恢復國內(nèi)大型金屬結構制造能力的途徑。3D打印可以用來制造大型零件，而不是在美國重建大型鑄造廠。這樣可以縮短供應鏈，使行業(yè)能夠快速獲得所需的工具和其他零件。但首先，需要進行研究以確保3D打印零件能夠承受打印過程中產(chǎn)生的壓力。

△通過有限元分析技術(FEA)對增材制造過程進行數(shù)值建模，可以幫助預測在大型增材制造部件中可能出現(xiàn)的變形、殘余應力積累以及裂紋形成的潛在情況

橡樹嶺國家實驗室的研究人員通過計算模型確定，大規(guī)模增材制造的金屬零件會在材料內(nèi)產(chǎn)生相當大的殘余應力（RS）。RS堆積會導致熱打印過程中形成裂紋，并隨著材料冷卻而變得更大，滲透金屬并造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞。

領導這項研究的研究人員Ritin Mathews表示，這種做法成本高昂且效率低下，可能會導致零件無效和大量材料浪費。由于航空航天、汽車和國防等高價值行業(yè)正在迅速采用大規(guī)模增材制造方法來制造零件，因此這些負面結果的代價可能特別高昂。了解這些裂紋形成的原因以及如何消除它們可以為各個行業(yè)帶來更可靠的3D打印技術。

Mathews補充道：“這適用于任何金屬3D打印工藝，因為所有3D打印工藝的一般沉積機制都是相似的�！�

△顯示由材料水平和垂直軸上的殘余應力引起的變形的圖像。橡樹嶺國家實驗室的研究人員發(fā)現(xiàn)，只需在關鍵區(qū)域添加材料即可減輕壓力的積累

解決3D打印殘余應力積累的辦法

研究小組找到了一個簡單的解決方案： 利用沉積過程的計算建模和由此產(chǎn)生的殘余應力，以圓角或45度倒角的形式添加支撐材料，消除90度角和尖角。"

Mathews說："在關鍵區(qū)域添加材料可減輕應力的積累。這一步驟可有意防止RS集中，從而降低零件失效的可能性�！�

△研究結果表面，材料沉積模式也會影響制件中的殘余應力

尺寸為米級的零件越來越多地使用采用基于融合的沉積的增材制造技術來制造。在這種大型零件中，與較小的零件相比，RS及其不利影響可能會被放大。Mathews和他的合著者在第11屆CIRP全球網(wǎng)絡會議上發(fā)表的一篇論文中寫道：“高強度RS的存在會導致結構中出現(xiàn)裂紋……降低部件的完整性，導致強度和疲勞特性降低�！�

該項目由美國國防部工業(yè)基礎分析和維持計劃提供資金支持。研究在位于ORNL的能源部制造示范設施進行。制造示范設施由能源部先進材料和制造技術辦公室支持，是一個全國性的合作聯(lián)盟，與ORNL合作創(chuàng)新、激勵和促進美國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型。