美國的新研究表明，降低金屬3D打印部件殘余應力的成熟方法可能不如增材制造部門認為的那么有效。島狀掃描——一種常見的激光掃描策略——通常被制造商用來減輕通過激光粉末床融合(PBF) 3D打印的金屬部件。該方法涉及將構建的層劃分為較小的子部分，通常為正方形，以減少零件在3D打印時的收縮。該團隊由來自美國國家標準與技術研究院(NIST)、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室和其他機構的科學家組成，他們發現島掃描方法實際上增加了某些類似橋梁幾何形狀的殘余應力。

“這非常令人驚訝，并強調了問題的復雜性，”該研究的合著者NIST材料研究工程師Thien Phan說。“這表明，盡管島嶼掃描在許多情況下可能有效，但在我們的情況下卻行不通，這確實突出了我們需要準確建模的事實。”

連續掃描路徑與孤島掃描路徑。后者將每一層分成更小的方塊以減少壓力。圖片來自勞倫斯利弗莫爾國家實驗室。

殘余應力：金屬3D打印的痛點

在對抗殘余應力的過程中，修改激光的掃描策略是第一道防線。工程師可以選擇島掃描，而不是采用一次性熔化整個層的連續掃描路徑，它可以連續熔化小金屬島。后一種方法意味著在任何時候收縮的材料都更少，從而降低了零件的整體應力。

殘余應力會導致3D打印的金屬部件斷裂。圖片來自匹茲堡大學。

盡管島掃描已被證明有效，但對該方法實際效果的綜合研究是有限的，導致理解上的差距。為了詳細分析該方法，美國團隊3D打印了許多鈦合金橋，所有橋的長度都在2厘米左右。使用連續或島掃描策略制造每個測試樣品。從外面看，所有的橋看起來都一樣，所以研究人員使用高能X射線來計算內部的應力。有趣的是，沿著使用島掃描3D打印的橋梁的某些邊緣發現了最高水平的張力。

雖然島的較小尺寸確實減少了收縮，但該團隊認為這也會導致更快的冷卻和更大的溫差，從而增加壓力。最終，結果表明應該逐個項目地考慮島嶼掃描，而不是將其視為包羅萬象的“銀彈”。為了減輕金屬3D打印中殘余應力的影響，制造商還需要考慮特定于構建的其他打印參數。

3D打印鈦橋的應力圖。島掃描構建沿邊緣表現出高應力。圖片來自勞倫斯利弗莫爾國家實驗室。

缺陷消除是3D打印社區的一個活躍研究領域，正在開發大量新技術。來自阿貢國家實驗室和德克薩斯農工大學的一組研究人員此前曾使用實時溫度數據和機器學習算法來預測3D打印部件中的缺陷。該方法涉及建立熱歷史與激光PBF過程中亞表面缺陷形成之間的相關聯系。

在其他地方，一組中國和美國的研究人員最近發現了PBF 3D打印“速度限制”，在該“速度限制”中不太可能發生零件缺陷。通過廣泛的X射線成像，該團隊能夠確定可以更好地控制熔池中形成的J形氣泡的參數。