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3D打印|原创 高功率半导体激光退火降低增材制造过程中的残余应力

北京联盟_原题是：高功率半导体激光退火降低增材制造过程中的残余应力
江苏激光联盟导读：高的残余应力是金属3D打印过程中经常出现的比较典型的现象 ， 并且残余应力的值甚至可以超过拉伸应力的水平 ， 从而导致部件的变形和甚至产生裂纹 。在这里 ， 来自美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory ， LLNL）的研究人员提出一种在粉末床3D打印（SLM）过程中原位控制残余应力的新方法 。通过均匀强度的激光能量照射SLM制造的打印部件的表面 ， 这一激光能量是具有一定形状的一套半导体激光 ， 通过控制激光对部件加热历史的热控制来减少SLM制造316L不锈钢的残余应力 。制造桥形的316L不锈钢样品来表征对SLM制造的不锈钢进行原位退火的效果 。结果表面残余应力可以降低90%以上 ， 且并没有造成SLM制造部件晶粒的长大 。对一些胞状-枝晶凝固组织（高固溶含量的模式）的退火效应的发生区域 ， 则经历着较长时间的高温处理 。原位退火处理的SLM部件和传统的后热退火部件相比较 ， 其应力释放水平几乎相当 。采用这一手段可以降低或者不需要采用后热处理的手段 ， 来消除SLM打印过程中产生的残余应力 。
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激光3D打印的状态图和采用半导体激光进行退火的状态图
图解：第一张照片和横排的第二张照片是聚焦的激光能量扫描熔化紧挨着底层部件的粉末 。第三张照片（第二排第一张照片）则是定制的激光能量照射部件表面进行加热并实现退火 。最后一张照片则显示的是激光刚刚结束扫描时的照片 ， 显示部件的表面温度已经高达>950°C 。
在3D打印的过程中 ， 残余应力由于加热的部件的膨胀和部件冷却时的收缩 ， 在部件打印过程中不断地积累 。产生应力 ， 从而导致部件的变形和甚至造成裂纹的产生 ， 这会导致部件撕裂或者减弱部件的性能 ， 这一现象在金属部件的打印过程中非常明显 。
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采用半导体激光进行退火和不退火的模拟结果图
来自美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory ， LLNL）和加利福尼亚大学（University of California）的研究人员发布了一种采用高功率半导体激光 ， 原本是劳伦斯利弗莫尔国家实验室国家点火工程（ National Ignition Facility (NIF)）的研究成果 ， 来快速的加热正在打印过程中的金属部件的表面 。这一新技术 ， 已经发表在期刊《Additive Manufacturing》上 ， 可以将３D打印过程中形成的残余应力有效的降低９０％ 。这一技术是通过降低温度梯度（即极热和极冷之间的温度差别）和控制冷却速率来实现的
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半导体扫描退火系统、试样形状及其扫描时的时间和激光功率的变化图
图解：a)半导体激光退火系统的示意图；b)ａ图中点线区域的详细的图解 ， 表明激光扫描头和分色镜接近制造平板； c)本实验中拟制造的１英寸的桥形试样 ， 采用的是叠加的两个遮罩形状的样式；d) 半导体激光退火工艺应用时的时间和激光功率斜降的示意图
对于金属来说 ， 与残余应力进行挑战是非常困难的一件事情 。目前已经有大量的工作致力于降低或消除残余应力 ， 如改变扫描策略以改变残余应力的分布 。但目前报道的研究工作则可以在制造的过程中直接消除残余应力 。这样你就不用再为残余应力的事情而感到困扰 。采用这一手段 ， 研究人员可以有效的降低残余应力 ， 这样 ， 你再也不会在打印的时候得到打印失效的部件了 。


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