ORNL 科學家找到避免大尺寸增材制造中殘余應力的應對方法

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

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，其中大部分金屬結構已轉移到海外。 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，從而縮短供應鏈并允許工業(yè)快速獲得所需的工具和其他零件。但首先，需要進行研究以確保 3D 打印部件能夠承受打印過程中產(chǎn)生的壓力。

ORNL 研究人員通過計算模型確定LFAM 金屬零件會在材料內(nèi)產(chǎn)生相當大的殘余應力 (RS)。 RS 積聚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的損壞。

領導這項研究的科學家里廷·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、大規(guī)模地采用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。

Mathews 說：“這適用于任何金屬 3D 打印工藝，因為所有增材制造工藝的沉積機制一般都是相似的�！�

研究團隊找到了一個簡單的解決方案：使用堆積過程和由此產(chǎn)生的殘余應力的計算建模來指導添加支撐材料，采用圓角和45度斜面形式以消除90度角和尖角。Mathews說：“在關鍵區(qū)域添加材料可以減輕應力的積累。這樣的一步是有意為之，可以預防殘余應力的聚集，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力引起變形的圖像。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。圖片來源：ORNL/美國能源部。

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�？茖W家們在計算機上進行建模，以預測當零件積累殘余應力時會發(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)絡會議（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：“高強度 RS 的存在會導致結構中出現(xiàn)裂紋、降低組件的完整性，導致強度和疲勞特性降低�！逼渌�作者包括 Jaydeep Karandikar、Christopher Tyler 和 Scott Smith，他們都來自 ORNL 的制造科學部門。

相關論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.procir.2023.09.247

該項目的資金由國防部工業(yè)基礎分析和維持計劃提供。該研究是在橡樹嶺國家實驗室能源部的制造示范設施進行的。 MDF 在能源部先進材料和制造技術辦公室的支持下，是一個全國性的合作者聯(lián)盟，與ORNL 合作，創(chuàng)新、激發(fā)和促進美國制造業(yè)的轉型。

德克薩斯大學巴特爾分校為美國能源部科學辦公室管理橡樹嶺國家實驗室，該辦公室是美國物理科學研究的最大支持者。