Этот процесс 3D-печати позволяет создавать металлические детали слой за слоем с использованием высокоэнергетического лазерного луча для сплавления частиц металлического порошка. Когда каждый слой готов, платформа сборки перемещается вниз на толщину одного слоя, и новый слой порошка наносится на предыдущий слой.Хотя этот процесс позволяет производить качественные детали и компоненты, остаточное напряжение является серьезной проблемой в процессе изготовления.
Это связано с тем, что большие изменения температуры вблизи последней точки плавления — быстрое нагревание и охлаждение — и повторение этого процесса приводят к локальному расширению и сжатию, факторам, вызывающим остаточное напряжение.Помимо их потенциального воздействия на механические характеристики и структурную целостность, остаточные напряжения могут вызывать искажения во время обработки, приводящие к потере формы сетки, отслоению от опорных конструкций и, потенциально, к выходу из строя аддитивно изготовленных (AM) деталей и компонентов.
Исследовательская группа LLNL, возглавляемая инженером Амандой Ву, разработала точный метод измерения остаточного напряжения, который сочетает в себе традиционные методы снятия напряжения (деструктивный анализ) с современной технологией: корреляция цифровых изображений (DIC). Этот процесс может обеспечить быстрые и точные измерения остаточных напряжений на уровне поверхности в деталях AM.
Команда использовала DIC для получения набора количественных данных об остаточном напряжении для AM, исследуя параметры лазера. DIC — это экономичный метод анализа изображений, в котором двойная камера используется для фотографирования AM-детали один раз перед тем, как она будет снята с рабочей пластины для анализа, и один раз после этого.
Деталь визуализируется, удаляется, а затем повторно отображается для измерения внешнего остаточного напряжения.
В детали без остаточных напряжений две секции должны идеально подходить друг к другу, и деформации поверхности не будет. В деталях AM остаточные напряжения вызывают деформацию деталей вблизи границы разреза. Деформация измеряется путем цифрового сравнения изображений деталей или компонентов до и после удаления.
Черно-белый узор в виде пятен применяется к деталям AM, так что изображения могут быть загружены в программу, которая создает цифровые иллюстрации областей с высоким и низким искажением на поверхности детали.Чтобы подтвердить свои результаты от DIC, команда в сотрудничестве с Лос-Аламосской национальной лабораторией (LANL) выполнила тесты на остаточное напряжение с использованием метода, известного как нейтронная дифракция (ND).
Этот метод, выполненный исследователем из LANL Дональдом Брауном, позволяет измерять остаточные напряжения в глубине материала, регистрируя дифракцию падающего пучка нейтронов. Дифрагированный пучок нейтронов позволяет обнаруживать изменения в межатомной решетке из-за напряжения.Несмотря на высокую точность, ND редко используется для измерения остаточного напряжения, потому что в США всего три федеральные исследовательские лаборатории — LANL является одной из них, — которые имеют источник нейтронов высокой энергии, необходимый для этого анализа.Результаты DIC группы LLNL были подтверждены экспериментами ND, показавшими, что DIC является надежным способом измерения остаточного напряжения в деталях AM методом сплавления в порошковом слое.
Их выводы были первыми, в которых были предоставлены количественные данные, показывающие распределение внутренних остаточных напряжений в деталях AM в зависимости от мощности и скорости лазера. Команда продемонстрировала, что уменьшение длины вектора лазерного сканирования вместо использования непрерывного лазерного сканирования регулирует изменения температуры во время обработки для снижения остаточного напряжения.
Кроме того, результаты показывают, что поворот вектора лазерного сканирования относительно наибольшего размера AM-детали также помогает снизить остаточное напряжение. Результаты команды подтверждают качественные данные других исследователей, которые пришли к такому же выводу.Используя DIC, команда смогла получить надежные количественные данные, которые позволят исследователям AM оптимально откалибровать параметры процесса для снижения остаточного напряжения во время изготовления. Настройки лазера (мощность и скорость) и параметры сканирования (рисунок, угол ориентации и перекрытия) можно регулировать для получения более надежных деталей.
Кроме того, DIC позволил команде Лоуренса Ливермора оценить совместное влияние мощности и скорости лазера, а также наблюдать потенциально полезный эффект нагрева подповерхностного слоя на развитие остаточного напряжения.«Нам потребовалось время, чтобы провести систематическое исследование остаточных напряжений, которое позволило нам измерить то, что раньше не определялось количественно», — сказал Ву. «Возможность калибровки наших параметров AM для минимизации остаточного напряжения имеет решающее значение».Результаты LLNL в конечном итоге будут использованы для определения свойств металлических деталей, изготовленных с использованием процесса AM сплавления в порошковой подложке.
Исследование команды помогает опираться на другие процессы квалификации, разработанные LLNL для повышения качества и производительности деталей и компонентов, напечатанных на 3D-принтере.Ву и ее коллеги являются участниками Стратегической инициативы LLNL по ускоренной сертификации металлов аддитивного производства (ACAMM).
Среди других членов команды Лоуренса Ливермора — Уэйн Кинг, Гилберт Гальегос и Мукул Кумар.