ORNL 科學(xué)家找到避免大尺寸增材制造中殘余應(yīng)力的應(yīng)對(duì)方法

2024年4月12日，南極熊獲悉，美國(guó)能源部橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 (ORNL)的科學(xué)家們已經(jīng)確定了如何避免因材料殘余應(yīng)力引起的高成本且可能無(wú)法修復(fù)的損壞，這種損壞通常發(fā)生在通過(guò)增材制造方法制造的大型金屬零件上。

業(yè)界越來(lái)越多地將增材制造視為恢復(fù)國(guó)內(nèi)大型金屬結(jié)構(gòu)制造能力的途徑，其中大部分金屬結(jié)構(gòu)已轉(zhuǎn)移到海外。 3D 打印可以用來(lái)制造大型零件，而不是在美國(guó)重建大型鑄造廠，從而縮短供應(yīng)鏈并允許工業(yè)快速獲得所需的工具和其他零件。但首先，需要進(jìn)行研究以確保 3D 打印部件能夠承受打印過(guò)程中產(chǎn)生的壓力。

ORNL 研究人員通過(guò)計(jì)算模型確定LFAM 金屬零件會(huì)在材料內(nèi)產(chǎn)生相當(dāng)大的殘余應(yīng)力 (RS)。 RS 積聚會(huì)導(dǎo)致熱打印過(guò)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(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的科學(xué)家里廷·馬修斯 (Ritin Mathews) 表示，增材制造方法成本高昂、效率低下，并可能導(dǎo)致零件無(wú)效和大量材料浪費(fèi)。由于航空航天、汽車和國(guó)防等高價(jià)值行業(yè)正在迅速、大規(guī)模地采用增材制造方法來(lái)制造零件，因此這些負(fù)面結(jié)果的代價(jià)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(gè)行業(yè)帶來(lái)更可靠的 3D 打印。

Mathews 說(shuō)：“這適用于任何金屬 3D 打印工藝，因?yàn)樗�有增材制造工藝的沉積機(jī)制一般都是相似的�！�

研究團(tuán)隊(duì)找到了一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案：使用堆積過(guò)程和由此產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的計(jì)算建模來(lái)指導(dǎo)添加支撐材料，采用圓角和45度斜面形式以消除90度角和尖角。Mathews說(shuō)：“在關(guān)鍵區(qū)域添加材料可以減輕應(yīng)力的積累。這樣的一步是有意為之，可以預(yù)防殘余應(yīng)力的聚集，從而降低零部件失效的可能性�！�

△由材料水平和垂直軸上的殘余應(yīng)力引起變形的圖像。橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員發(fā)現(xiàn)，只需在關(guān)鍵區(qū)域添加材料即可減輕壓力的積累。圖片來(lái)源：ORNL/美國(guó)能源部。

尺寸為米級(jí)的零件越來(lái)越多地使用采用基于融合的沉積的增材制造技術(shù)來(lái)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(huì)被放大�？茖W(xué)家們?cè)谟?jì)算機(jī)上進(jìn)行建模，以預(yù)測(cè)當(dāng)零件積累殘余應(yīng)力時(shí)會(huì)發(fā)生什么，并研究了避免這種情況的方法。

Mathews及其共同作者在發(fā)表于第11屆CIRP全球網(wǎng)絡(luò)會(huì)議（CIRPe 2023）的一篇題為“Residual stress accumulation in large-scale Ti-6Al-4V wire-arcadditive manufacturing”的論文中寫道：“高強(qiáng)度 RS 的存在會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)裂紋、降低組件的完整性，導(dǎo)致強(qiáng)度和疲勞特性降低�！逼渌�作者包括 Jaydeep Karandikar、Christopher Tyler 和 Scott Smith，他們都來(lái)自 ORNL 的制造科學(xué)部門。

相關(guān)論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.procir.2023.09.247

該項(xiàng)目的資金由國(guó)防部工業(yè)基礎(chǔ)分析和維持計(jì)劃提供。該研究是在橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室能源部的制造示范設(shè)施進(jìn)行的。 MDF 在能源部先進(jìn)材料和制造技術(shù)辦公室的支持下，是一個(gè)全國(guó)性的合作者聯(lián)盟，與ORNL 合作，創(chuàng)新、激發(fā)和促進(jìn)美國(guó)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型。

德克薩斯大學(xué)巴特爾分校為美國(guó)能源部科學(xué)辦公室管理橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，該辦公室是美國(guó)物理科學(xué)研究的最大支持者。