Решения по устранению усадочных линий при 3D-печати металлом

2026-06-02

В процессе 3D-печати с использованием технологии лазерной плавки металла в порошковой среде, когда площадь поперечного сечения детали в направлении построения резко изменяется, на внешней поверхности детали образуются впадины, которые называются линиями усадки, ребрами усадки или ребрами усадки с изменяющимся сечением.

Соответствующие исследования подтверждают, что этот дефектне только влияет на внешний вид изделия и точность размеров, но и снижает усталостную прочность. Микротвердость в области линии усадки снижается на 2–9 %, что требует особого внимания при применении в условиях, чувствительных к усталостным нагрузкам.

Однако, пообщавшись с инженерами ведущих отечественных компаний, я обнаружил, что если пользователи предъявляют высокие требования к размерам и характеристикам продукта, необходимо найти способ избежать его появления. А если избежать этого невозможно, нужно найти способ компенсировать это.

Появление линии сжатия связано с двумя ситуациями.

Во-первых, это прерывание печати. В результате термическая история детали прерывается: после охлаждения деталь вновь нагревается, что приводит к накоплению напряжений в месте соединения и вызывает деформацию.

Другой тип связан со структурными особенностями. При резком изменении площади поперечного сечения соседних слоев такие факторы, как температурный градиент, поступление энергии и отвод тепла, а также внутреннее скручивание при термическом усадке, приводят к образованию линий усадки.

В втором случае можно ли определить положение линии усадки только по изменению площади сечения? Исследования показывают, что линия усадки образуется, когда изменение площади сечения соседних слоев превышает примерно 15%. Для простых конструкций это, возможно, легко определить, но для сложных конструкций, особенно для интегрированных конструкций, состоящих из большого количества деталей, определить, возникнет ли линия усадки внутри деталей, бывает сложно или невозможно.

Поэтому определить положение линии усадки на основе ручного измерения или опыта довольно сложно.

Модуль моделирования воспроизводит в виртуальной среде температурное и напряженное поля, возникающие в процессе печати. Он позволяет уплотнять сетку в ключевых точках и назначать разные параметры материалов для основной структуры и опор, что позволяет достоверно отразить различия в теплопроводности и механическом поведении.

Как видно из приведенных результатов моделирования, в местах резких изменений сечения картины распределения напряжений в верхней и нижней частях детали заметно различаются, что указывает на появление в этих местах линии усадки. Результаты фактической печати, соответствуют результатам моделирования.

Моделирование позволяет инженерам заранее ознакомиться с термодинамическими изменениями, происходящими в процессе 3D-печати металлами, и даже понять их, например, как распределяется температура, как накапливается тепло, как возникают и снимаются напряжения и т. д.

Результаты моделирования помогут инженерам оптимизировать конструкцию и скорректировать параметры печати. Например, можно изменить конструкцию для более равномерного распределения напряжений, применить различные стратегии сканирования для оптимизации распределения тепловых напряжений, а также скорректировать ориентацию деталей, чтобы избежать появления линий усадки.

причем данный подход основан не на чрезмерной зависимости от опыта инженеров, а на результатах моделирования.

Кроме того, в нем используется технология параллельного ускорения на GPU, что позволяет в 5–10 раз повысить эффективность вычислений по сравнению с традиционными решателями метода конечных элементов (FEA). Благодаря этому не нужно долго ждать результатов моделирования, и инженеры могут в кратчайшие сроки выполнить высокоточную проверку технологического процесса.