Причины деформации при 3D-печати металла и стратегии её прогнозирования и контроля 

Как известно, 3D-печать металлов постепенно переходит от «изготовления прототипов» и «экспериментальной верификации» к высокотехнологичным областям применения — аэрокосмической отрасли, автомобильной промышленности, энергетике, медицине и другим сферам. Однако по мере увеличения размеров деталей и усложнения их конструкций старая проблема «остаточных напряжений и деформаций» по-прежнему не решена полностью.

При аддитивном производстве металлических изделий лазерный, электронно-лучевой или дуговой источник тепла за чрезвычайно короткое время нагревает локальный участок, после чего тот быстро охлаждается. Таким образом, материал постоянно проходит через тепловые циклы «нагрев — плавление — затвердевание — охлаждение — повторный нагрев». Возникающие температурные градиенты, механические ограничения и фазовые превращения совместно формируют остаточные напряжения. Когда эти напряжения накапливаются до определённого уровня, они преобразуются в коробление, изгиб, кручение и даже растрескивание, серьёзно влияя на эксплуатационные характеристики деталей.

01

Откуда берутся остаточные напряжения? Совместное действие трёх механизмов

По источнику возникновения остаточные напряжения в аддитивном производстве металлов можно разделить на термические напряжения, напряжения от ограничений и структурные напряжения. Они совместно воздействуют на процесс печати и в конечном итоге преобразуются в макроскопическую деформацию.

1. Термические напряжения: главная особенность 3D-печати металлов заключается в высокой концентрации источника тепла.

На примере L-PBF: лазер мгновенно подводит энергию лишь к очень небольшой области, поэтому температура вблизи зоны плавления чрезвычайно высока, тогда как окружающие участки по-прежнему имеют относительно низкую температуру. По мере перемещения лазера только что нагретая область быстро охлаждается. Такая огромная разница температур легко приводит к различной степени теплового расширения и усадки материала в разных областях. При ограничении фиксированной конструкцией (например, подложкой) это превращается в термические напряжения.

2. Ограничивающие напряжения: если температурный градиент является «отправной точкой» остаточных напряжений, то механическое ограничение — важный фактор, который дополнительно преобразует тепловую деформацию в напряжение.

В процессе печати вновь осаждённый материал расширяется при нагреве, однако расположенный ниже уже затвердевший материал ограничивает это расширение; при охлаждении новый осаждённый слой, в свою очередь, стремится сжаться, но также сталкивается с ограничением со стороны окружающей структуры. В результате такого послойного накопления значительное количество остаточных напряжений «запирается» внутри детали.

3. Структурные напряжения: «микроскопические изменения» внутри материала.

Это обусловлено эволюцией структуры самого материала. После многократных термических циклов изменяются морфология зёрен, степень ориентации и фазовый состав металла. В некоторых сплавах также происходят фазовые превращения в твёрдом состоянии, например превращение аустенита в мартенсит в стали. Эти изменения сопровождаются перестройкой кристаллической структуры и изменением объёма, что приводит к возникновению напряжений, обусловленных фазовым превращением.

02

У разных металлических материалов остаточные напряжения проявляются по-разному

При обсуждении остаточных напряжений прежде всего необходимо учитывать материал. Распространённые алюминиевые, медные, титановые, стальные и никелевые сплавы имеют существенно различающиеся механизмы формирования остаточных напряжений из-за различий в теплопроводности, коэффициенте теплового расширения, модуле упругости, высокотемпературной прочности и характере фазовых превращений.

Например, алюминиевые сплавы обладают высокой теплопроводностью и большим коэффициентом теплового расширения, поэтому в процессе 3D-печати в них легко возникают коробление и отклонения размеров; медные сплавы имеют ещё более высокую теплопроводность (>300 W / m·K), вследствие чего их свойства в значительной степени зависят от параметров технологического процесса; в стали и чугуне может происходить мартенситное превращение, что создаёт риск образования трещин…

В обзоре также отмечается, что за счёт разработки функционально-градиентных материалов можно уменьшить несоответствие свойств между различными материалами и тем самым снизить остаточные напряжения на границе раздела, а также риск образования трещин и деформации.

03

Стратегия лазерной печати: как параметры процесса влияют на остаточные напряжения?

Мощность лазера, скорость сканирования, расстояние между линиями сканирования, скорость подачи порошка, толщина слоя и другие параметры изменяют подвод тепла, скорость охлаждения и температурный градиент, напрямую влияя на остаточные напряжения и деформацию.

То, как движется лазер, иногда столь же важно, как и выбор мощности лазера. Непрерывное, протяжённое однонаправленное сканирование приводит к накоплению тепла и усадочных напряжений в одном направлении, формируя выраженное распределение напряжений.

В отличие от этого, такие стратегии, как зональное, шахматное и спиральное сканирование, позволяют сократить длину непрерывного сканирования и рассеять тепловложение. Исследования нержавеющей стали 316L показывают, что спиральное зональное сканирование позволяет улучшить распределение остаточных напряжений и контролировать деформацию: остаточные напряжения в плоскости σx и σy удерживаются в пределах 204 МПа и 103 МПа соответственно.

Факторы, влияющие на остаточные напряжения и деформацию

04

«Измерить» остаточные напряжения

После определения остаточных напряжений необходимо также уметь их «измерять». В настоящее время методы измерения остаточных напряжений в основном подразделяются на разрушающие методы и методы неразрушающего контроля.

К разрушающим методам относятся метод резки, метод послойного удаления, метод податливости трещины, профильный метод и метод сверления и другие. Они позволяют получать информацию о напряжениях в глубоких областях и даже по всему сечению, но в разной степени повреждают образец.

К неразрушающим методам относятся рентгеновская дифракция (XRD), нейтронная дифракция, магнитный шум/шум Баркгаузена, ультразвуковой контроль и другие методы. При этом XRD отличается высокой точностью и подходит для измерения остаточных напряжений на поверхности, однако имеет ограниченную глубину проникновения; магнитные и ультразвуковые методы, в свою очередь, больше подходят для быстрого контроля больших площадей, но точность их результатов легко зависит от структуры материала, фазового состава и условий калибровки.

На практике необходимо использовать несколько взаимодополняющих методов и проводить перекрёстную проверку, чтобы получить более надёжные данные.

05

От «измерения» к «прогнозированию»: моделирование становится ключевым инструментом

В настоящее время всё больше исследований посвящено попыткам с помощью моделирования предсказывать возможные напряжения и деформации деталей ещё до начала печати.

Согласно обзору, необходимо объединить метод конечных элементов и искусственный интеллект: метод конечных элементов должен обеспечивать физическую основу, эксперимент — реальные данные, а машинное обучение — быстрое прогнозирование.

Быстрое прогнозирование остаточных напряжений с помощью машинного обучения.

06

Контроль остаточных напряжений — это не только «настройка параметров»

В области контроля остаточных напряжений и деформаций исследователи не ограничиваются оптимизацией технологических параметров или системы материалов, а также пытаются оказывать внешнее «содействие» 3D-печати.

1. Вспомогательное воздействие внешнего поля

В настоящее время наиболее активно исследуются следующие физические поля: тепловое, ультразвуковое, электромагнитное, а также комбинированные физические поля. Согласно приведённому в обзоре исследованию, при наплавке сплава на основе Fe остаточные напряжения снижаются с увеличением мощности ультразвука и достигают минимального значения при 240 Вт; после превышения мощности 300 Вт остаточные напряжения вновь возрастают. Что касается частоты, то низкий уровень остаточных напряжений можно получить при частоте 28 кГц.

2. Компенсация предварительной деформации: перед печатью сначала «деформировать в обратную сторону»

Логика компенсации предварительной деформации на самом деле очень проста: если известно, что после печати деталь деформируется в определённом направлении, то перед печатью CAD-модель предварительно корректируют в противоположном направлении.

Предварительная деформация + деформация при печати ≈ целевая геометрия

В настоящее время существует три основных подхода: эмпирическая компенсация на основе сканирования и измерений, компенсация на основе физических моделей и компенсация на основе моделей, управляемых данными.

В исследовании компенсации для L-PBF, объединившем гауссовскую регрессию с методом собственных деформаций, максимальная деформация решётчатой структуры и типовой детали снизилась на 82,5% и 77,8% соответственно; в другом исследовании, посвящённом струйному нанесению связующего, благодаря сочетанию гауссовской регрессии, моделирования спекания и моделей пониженного порядка погрешность размеров после компенсации удалось удержать в пределах 3%.

Блок-схема компенсации предварительной деформации

07

Будущее металлической 3D-печати: от «последующей коррекции» к «управлению в реальном времени»

Судя по этому обзору, в области контроля остаточных напряжений при аддитивном производстве металлических изделий происходит заметный сдвиг: раньше после завершения печати в основном пытались «исправить» возникшие проблемы, а в будущем их будут выявлять уже в процессе печати и в реальном времени корректировать технологические параметры.

Это также означает, что такие технологии, как датчики, инфракрасная термография, оптическое сканирование, метод конечных элементов, машинное обучение и цифровые двойники, нуждаются в дальнейшей интеграции.

Например, с помощью машинного обучения можно извлекать сложные закономерности из большого объёма экспериментальных и расчётных данных, чтобы прогнозировать остаточные напряжения и деформации, а также разрабатывать интеллектуальные стратегии сканирования и схемы предварительной компенсации деформаций для деталей сложной формы.

Другой пример — сопряжённый многофизический анализ, при котором температура, механика, эволюция структуры и фазовые превращения рассматриваются в единой системе, что позволяет отслеживать взаимосвязь между микроструктурой и стабильностью размеров изделия в макромасштабе.

Остаточные напряжения и деформации — это проблемы, которых невозможно избежать на пути масштабного применения аддитивного производства металлов; на них влияет огромное количество факторов.

От мощности лазера, скорости сканирования и стратегии сканирования; состава материала и структуры зёрен; жёсткости подложки и геометрии детали; до термической обработки, ультразвука, электромагнитного поля и компенсации предварительной деформацией — все эти этапы фактически совместно определяют итоговое состояние напряжений и деформаций.

В будущем конкурентоспособность промышленных установок для 3D-печати металлами может определяться не только мощностью лазера, скоростью печати или размером области построения, но и способностью воспринимать, прогнозировать и активно контролировать изменения, происходящие в процессе печати, чтобы в конечном итоге 3D-печать металлами действительно перешла от «производства, основанного на опыте» к точному производству, управляемому «моделями + данными + обратной связью в реальном времени».