更智能的3D打印可以更快地制造更好的零件

來源：江蘇激光聯(lián)盟

導讀：得益于密歇根大學開發(fā)的新軟件，3D打印機可能很快就能更好地生產(chǎn)復雜的金屬和塑料零件，該軟件可以減少激光粉末床聚變打印機中有害的熱量積聚。

△圖源：Pixabay/CC0 Public Domain

在最近的一項研究中，這款名為SmartScan的軟件顯示熱量分布改善了41%，變形減少了47%。

它還可能通過兩種方式加快制造過程：減少打印機減速以幫助冷卻的需要，以及顯著減少打印后必須糾正的由熱引起的缺陷。

激光粉末床熔接是一種3D打印形式，用于航空航天、汽車和生物醫(yī)藥行業(yè)，以制造過于復雜而無法用常規(guī)制造的零件。它使用激光將金屬粉末或塑料層熔合在一起。但激光的熱量會積聚在打印的精密零件上，導致變形和其他缺陷。

密歇根大學機械工程副教授、《增材制造》的通訊作者Chinedum Okwudire說：“對于具有超薄特征的零件，這個問題變得更加嚴重。熱量沒有太大的傳播空間，所以需要聰明地移動激光，否則零件會以非常奇怪的方式變形。”

SmartScan通過考慮給定零件內(nèi)的熱量流動，并映射優(yōu)化的掃描順序來限制任何給定區(qū)域內(nèi)的熱量積聚，從而解決了該問題。它分析了零件的形狀和所用材料的熱性能，包括傳導和對流傳熱。

△（a）Island編號模板；（b）LHI和（c）建議的智能掃描方法的Island掃描序列的彩色圖。

該領域的其他人已經(jīng)試驗了不同的打印模式以減少熱量積聚，例如從一個區(qū)域跳到另一個區(qū)域或在水平和垂直掃描方向之間交替。但Okwudire說，SmartScan是第一個使用熱模型來優(yōu)化引導激光以更均勻地分布熱量的解決方案。

為了確定SmartScan第一版的有效性，研究人員使用激光在兩塊不銹鋼板上壓印相同的圖案。他們對第一塊印版使用SmartScan流程，對第二塊印版使用傳統(tǒng)打印模式。與其他方法相比，使用SmartScan制作的印刷品在標記過程中始終變形較小，并且顯示出更均勻的熱量分布。

△使用研究中的四個Island掃描序列測量6cm x 6cm AISI 316l不銹鋼板的變形剖面。括號內(nèi)的數(shù)字分別是每個板的最大和平均變形，單位為mm。請注意，提出的SmartScan顯示的變形明顯低于競爭的啟發(fā)式方法。

根據(jù)實驗結果，團隊相信，通過進一步研究，他們將能夠采用SmartScan構建完整的3D零件。他們計劃進一步改進該軟件，將金屬或塑料粉末的熔化納入其熱建模中，并在打印過程中根據(jù)使用紅外相機實時觀察到的溫度測量，主動更新掃描序列。

“結果非常有希望，我們得到了很多積極的反饋�！監(jiān)kwudire說，他已經(jīng)開始向行業(yè)合作伙伴演示該軟件�！拔覀冞x擇了一個簡單的模型，因為它很有效，而且比今天使用的試錯法效果更好。我們希望專注于一個實用的方向，真正有機會有所作為�！�

這項研究發(fā)表在《增材制造》雜志上。

△實驗測量了6cmx 6cm AISI 316l不銹鋼板在掃描過程中的四種情況下條紋掃描圖案的溫度分布。提出的智能掃描比其他啟發(fā)式方法顯示出更均勻的溫度分布。

來源：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