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研究人员开发了有效的方法来测量AM部件的残余应力

美国加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的研究人员开发出了他们认为是一种测量粉末床熔融添加剂制造生产的金属零件残余应力的有效方法。

研究人员表示,残余应力可能是制造过程中的一个主要问题,因为快速加热和冷却引起的大温度变化以及这一过程的重复会导致局部膨胀和收缩,从而导致残余应力。

除了对机械性能和结构完整性的潜在影响外,残余应力可能在加工过程中引起变形,导致净形状的损失,支撑结构的脱离,以及可能的加工制造(AM)零件和部件的失效。

由工程师Amanda Wu领导的LLNL研究团队开发了一种使用数字图像相关(DIC)的残余应力测量方法。据称该工艺能够快速准确地测量AM部件中的表面残余应力。DIC是一种经济有效的图像分析方法,其中使用双摄像机设置来拍摄AM部件,然后将其从构建板移除以进行分析并且之后再次进行。

在没有残余应力的部件中,两个部分应完美地配合在一起,不会发生表面变形。在AM零件中,残余应力会导致零件在切割界面附近变形。通过数字比较移除之前和之后的部件或组件的图像来测量变形。黑色和白色散斑图案应用于AM部件,以便可以将图像输入到软件程序中,该软件程序可以在零件表面上生成高低失真区域的数字插图。

为了验证他们的DIC结果,该团队与洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)合作,使用称为中子衍射(ND)的方法进行残余应力测试。这项由LANL研究员唐纳德·布朗执行的技术通过检测入射中子束的衍射来测量材料内部的残余应力。衍射的中子束使得能够检测由于应力引起的原子晶格间距的变化。

虽然它非常准确,但ND很少用于测量残余应力,因为美国只有三个联邦研究实验室拥有此分析所需的高能中子源,其中LANL就是其中之一。LLNL团队的DIC结果通过ND实验验证,表明DIC是测量粉末床融合AM部件中残余应力的可靠方法。

他们的研究结果首次提供了定量数据,显示了AM部件内部残余应力分布与激光功率和速度的关系。该团队证明,减少激光扫描矢量长度而不是使用连续激光扫描调节处理过程中的温度变化,以减少残余应力。

此外,结果表明,相对于AM部件的最大尺寸旋转激光扫描矢量也有助于减少残余应力。该团队的结果证实了其他研究人员获得相同结论的定性数据。

通过使用DIC,该团队能够生成可靠的定量数据,使AM研究人员能够优化校准工艺参数,以减少制造过程中的残余应力。可以调整激光设置(功率和速度)和扫描参数(图案,方向角和重叠)以生成更可靠的部件。“我们花时间对残余应力进行系统研究,这使我们能够测量以前未量化的东西,”吴说。“能够校准我们的AM参数以实现残余应力最小化是至关重要的。”

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