通過實時評估殘余應力來優(yōu)化工業(yè)設計，用于生產(chǎn)更高效的金屬3D打印零件

南極熊導讀：金屬3D打印在構(gòu)建過程中，使用激光制造的材料可能會因打印過程中的快速加熱和冷卻而產(chǎn)生殘余應力，通過打印后對零件進行熱處理或退火可減少應變。但是過多的熱量會導致不必要的結(jié)構(gòu)變化。為解決這一問題，國內(nèi)外的科研團隊都在研究該問題的解決方案。

2022年9月26日，南極熊獲悉，通用電氣(GE)與加州大學伯克利分校，和橡樹嶺國家實驗室(ORNL)的能源部(DOE)科學辦公室的科研人員一起，通過一系列最新研究了解了殘余應力的形成位置，以及應在什么溫度下進行退火以減輕應力，從而優(yōu)化組件設計以及退火時間和溫度。

△研究人員使用中子散射來測量金屬3D打印樣品在退火之前（右上）、期間和之后（右下）的內(nèi)部應力。控制激光金屬打印部件的殘余應力有助于防止裂紋和故障

為了生產(chǎn)更高效的金屬3D打印零件
該團隊使用中子衍射來定位常見金屬合金Inconel 625樣品中的殘余應變。研究人員在日本質(zhì)子加速器研究中心(J-PARC)的NOBORU光束線上，進行了初始中子校準實驗。然后，中子成像使他們能夠在退火過程中實時觀察高溫爐內(nèi)的樣品。中子很容易穿透爐壁，并允許在退火過程中映射整個零件的應變松弛。

然后研究人員將測量到的壓力與計算機模擬數(shù)據(jù)進行了比較。他們對3D打印工藝進行了模擬，以預測樣品內(nèi)的殘余應力分布作為工藝參數(shù)的函數(shù)。仿真結(jié)果與室溫實驗測量結(jié)果的比較表明，當仿真數(shù)據(jù)在零件體積上取平均值時，一致性很好，證實了實驗對驗證仿真結(jié)果的有用性。

△該團隊的研究結(jié)果題目為“通過原位中子成像監(jiān)測3D打印Inconel 625殘余應力的松弛和優(yōu)選晶粒取向”（傳送門）

研究結(jié)果與強大的科研團隊
新模型可以通過最大限度地減少生產(chǎn)過程中的殘余應力形成，更準確地預測零件設計的微小變化是否會更加堅固。同時，新模型還可以指示改變3D打印激光束的直徑，或行進速度是否會提高生產(chǎn)質(zhì)量。

該研究成果可以幫助GE驗證它們的計算機模型，并優(yōu)化3D打印組件設計方案，以減少打印構(gòu)建過程中的殘余應力形成。該數(shù)據(jù)還將使GE能夠?qū)Ξa(chǎn)品進行退火并優(yōu)化應變松弛，而不會導致不良的結(jié)構(gòu)問題。

這項研究得到了美國能源部科學辦公室、通用電氣全球研究中心、加州大學伯克利分校和日本原子能機構(gòu)的支持。中子散射在散裂中子源（由ORNL運營的美國能源部科學辦公室用戶設施）和日本散裂中子源的NOBORU (J-PARC)儀器上進行。加州大學伯克利分校能量分辨成像，和MCP/Timepix探測器的開發(fā)工作由DOE資助。