一個(ge) 研究小組發現，通常用於(yu) 解決(jue) 金屬3D打印最大問題是，它並非是萬(wan) 能靈藥。
對於(yu) 製造商而言，3D打印或增材製造提供了一種建造複雜形狀零件的方法，該零件比通過傳(chuan) 統方法製造的零件更耐用、更輕且對環境更友好。該行業(ye) 正在蓬勃發展，有人預測它的規模每三年翻一番。殘餘(yu) 應力是金屬印刷過程固有的反複加熱和冷卻的副產(chan) 品，會(hui) 導致零件中出現缺陷，並且在某些情況下會(hui) 損壞印刷機。
為(wei) 了更好地了解殘餘(yu) 應力的形成方式，以及如何消除殘餘(yu) 應力，美國國家標準技術研究院（NIST）、勞倫(lun) 斯·利弗莫爾國家實驗室，洛斯阿拉莫斯國家實驗室和其他機構的研究人員，仔細研究了鈦不同印刷圖案的影響用普通的基於(yu) 激光的方法製成的合金零件。
在工業(ye) 上通常用於(yu) 減少殘留應力的印刷圖案（稱為(wei) 島掃描）在所研究的方法中顯示效果最差。他們(men) 產(chan) 生的數據可以幫助製造商測試和改進3D打印的預測模型，如果準確的話，可以使它們(men) 遠離破壞性的殘餘(yu) 應力水平。
盡管島掃描在許多情況下都可以使用，但在我們(men) 的情況下卻不起作用，這確實凸顯了我們(men) 需要進行精確建模的事實。
該團隊的研究集中於(yu) 一種流行的增材製造方法，稱為(wei) 激光粉末床熔合（LPBF），其中激光以預定的模式掃描一層金屬粉末，將表麵的顆粒熔化並融合在一起。當熔融金屬冷卻成固體(ti) 時，支撐材料的工作台降低，打印機在頂部添加新的粉末塗層，從(cong) 而使激光繼續逐層構建零件。一旦構建的第二層開始，殘餘(yu) 應力就會(hui) 開始抬起其不愉快的頭部。
LPBF中使用的金屬會(hui) 迅速冷卻，這意味著當打印機的激光開始加熱新層時，上一層的金屬已經是固體(ti) 。熔化的層在冷卻時向內(nei) 收縮，從(cong) 而拉動下方的固體(ti) 金屬並產(chan) 生應力。
溫度差越大，熔融層的拉力就越大。對每一層重複此過程，直到完成零件為(wei) 止，從(cong) 而將應力鎖定在固體(ti) 金屬中。
正在運行的激光粉末床融合類型的3D打印機。激光粉末床熔融會(hui) 添加連續的金屬粉末層，然後使用激光將每一層熔化到要製造的零件上的適當位置。
工件內(nei) 部會(hui) 產(chan) 生難以置信的殘餘(yu) 應力。殘餘(yu) 應力可能會(hui) 使零件破裂並在製造過程中將其抬起，這實際上可能使機器崩潰。
LPBF中最直接的打印圖案是連續掃描，其中激光從(cong) 零件的一端到另一端來回掃描。但是，一種稱為(wei) 孤島掃描的替代方法已經出現，可以緩解壓力。
這種方法背後的思想是，一次熔化一個(ge) 金屬的小部分或小島，而不是熔化整個(ge) 層，將減少同時發生的金屬收縮，從(cong) 而降低了整體(ti) 應力。
島掃描技術已受到製造商的青睞，但過去對該技術的研究一直不一致。更廣泛地說，掃描策略和殘餘(yu) 應力之間的關(guan) 係在很大程度上仍然是個(ge) 謎。為(wei) 了填補這些空白，多機構團隊著手詳細分析孤島掃描對壓力的影響。
這項新研究的作者打印了四根剛好超過2厘米（0.8英寸）的鈦合金橋。樣品是通過連續掃描或孤島掃描構建的，激光沿著其長度和寬度或以45度角運行。
從(cong) 打印機中出來的橋看起來很相似，但研究人員並未仔細研究它們(men) ，而是看了表麵的價(jia) 值。
他們(men) 將由同步加速 器的強大工具產(chan) 生的高能X射線照到樣品深處。通過測量從(cong) 金屬反射回來的X射線的波長，該小組以高精度提取了金屬原子之間的距離。研究人員從(cong) 那裏計算出壓力。距離越大，金屬承受的壓力就越大。掌握了這些關(guan) 鍵信息後，他們(men) 生成了顯示整個(ge) 樣品應力位置和程度的圖。
所有樣品的應力都接近鈦合金的屈服強度，即材料永久變形的點。但是這些地圖揭示了其他令研究人員驚訝的東(dong) 西。
研究人員測試了四種不同的印刷圖案，其中的激光要麽(me) 連續地在金屬粉末中來回熔化，要麽(me) 在不同的方形島中熔化，並且平行於(yu) 零件的長邊或與(yu) 零件的對角線延伸。
島狀掃描樣品的側(ce) 麵和頂部承受著非常大的應力，在連續掃描樣品中這些應力缺失或不那麽(me) 明顯。如果孤島掃描是業(ye) 界試圖減輕這些壓力的一種方式，對於(yu) 這種特殊情況，它遠未取得成功。
在另一項測試中，他們(men) 將每個(ge) 橋的支腿從(cong) 與(yu) 之相連的金屬基板上拆下。該研究的作者測量了腿向上彈起的距離，從(cong) 而獲得了另一個(ge) 指標，該指標表明了每座橋的拱內(nei) 儲(chu) 存了多少殘餘(yu) 應力。同樣，孤島掃描樣品的性能較差，其腿變形量是其他樣品的兩(liang) 倍以上。
3D掃描可能是一把雙刃劍。盡管這些小島可能會(hui) 減少收縮，但與(yu) 更大的熔池相比，這些島的冷卻速度也要快得多，從(cong) 而產(chan) 生更大的溫度差，從(cong) 而產(chan) 生更大的應力。
盡管孤島掃描不太適合研究中使用的特定零件，材料和設備，但在不同情況下，它仍然是一個(ge) 不錯的選擇。結果表明，這並不是解決(jue) 殘餘(yu) 應力的全部方法。為(wei) 了避免壓力，製造商可能需要根據自己的具體(ti) 情況量身定製掃描策略和其他參數-計算機模型將大大有助於(yu) 這一工作。
如果預測準確，製造商可以使用模型快速廉價(jia) 地識別最佳參數，而不必通過反複試驗來優(you) 化打印效果。建模人員可以通過對工具進行嚴(yan) 格的基準測試來進行測試，從(cong) 而增強他們(men) 對工具的信心，與(yu) 新研究中獲得的數據不同。
這項工作為(wei) 流行的打印策略提供了新的視角，為(wei) 殘留應力形成難題增添了關(guan) 鍵要素，並最終使3D打印更接近其全部潛能。