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在討論應(yīng)力消除之前，我們還是先來了解下什么是殘余應(yīng)力。

什么是殘余應(yīng)力

殘余應(yīng)力是當(dāng)物體沒有外部因素作用時，在物體內(nèi)部保持平衡而存在的應(yīng)力。零件在制造過程中，將受到來自各種工藝等因素的作用與影響，當(dāng)這些因素消失之后，若構(gòu)件所受到的上述作用與影響不能隨之而完全消失，仍有部分作用與影響殘留在構(gòu)件內(nèi)，則這種殘留的作用與影響，就是殘余應(yīng)力。

從能量作功的角度來理解，外力使物體發(fā)生塑性變形時會導(dǎo)致物體內(nèi)部發(fā)生變形，因而積累一部分能量；當(dāng)外力消除后，內(nèi)部應(yīng)力分布不均勻的能量要進行釋放，如果物體的脆性低，則物體會緩慢變形，脆性高則形成裂紋。

殘余應(yīng)力在機械制造中非常常見，往往各個工藝都會產(chǎn)生殘余應(yīng)力。不過，從本質(zhì)上講，產(chǎn)生殘余應(yīng)力的機制可以歸結(jié)成三類：

第一類，不均勻的塑性變形；

第二類，不均勻的溫度變化；

第三類，不均勻的結(jié)構(gòu)變化（相變）。

殘余應(yīng)力的危害

從殘余應(yīng)力的分類可以看出，殘余應(yīng)力會引起物體緩慢變形，導(dǎo)致物體尺寸的改變，導(dǎo)致機械加工零件尺寸不合格，儀器生產(chǎn)中導(dǎo)致整臺儀器喪失精度成為廢品，鑄造鍛造零件出現(xiàn)裂紋甚至斷裂，同時對其疲勞強度、抗應(yīng)力腐蝕能力、尺寸穩(wěn)定性和使用壽命等，也有著十分重要的影響。

△鑄件在冷卻的過程中，由于工藝的不合理導(dǎo)致冷卻不均勻而產(chǎn)生殘余熱應(yīng)力導(dǎo)致鑄件斷裂

如何消除殘余應(yīng)力是增材制造的重要挑戰(zhàn)

殘余應(yīng)力也是增材制造面臨的最重要挑戰(zhàn)之一，而在某些情況下，殘余應(yīng)力對打印零件的影響可能大到使整個成型平臺彎曲，使零件從成型平臺上分離或者使零件本身開裂。這也是增材制造零件通常需要添加支撐結(jié)構(gòu)的原因之一。只有將這些殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中通過熱處理釋放掉之后才能從成型平臺上移除零件。

△殘余應(yīng)力造成打印失敗

目前，傳統(tǒng)制造消除方法有熱處理、靜載荷加壓、振動時效和機械處理等四種方法。而因增材制造可以無模成型這一技術(shù)特性，可以在設(shè)計零件本身的時候就可以考慮優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來克服殘余應(yīng)力。比如采用減少厚度不均勻的區(qū)域、盡量避免較大的橫截面變化；又如在3D打印設(shè)備上設(shè)計預(yù)熱成型平臺和加熱成型室等，都可以有效的減少殘余應(yīng)力帶來的影響。但是在現(xiàn)階段，如何改進殘余應(yīng)力的分布仍然取決于設(shè)計師的經(jīng)驗，使得有些殘余應(yīng)力始終無法避免。

殘余應(yīng)力是在消除了引進應(yīng)力的所有因素后仍然存在于固體材料中的應(yīng)力。在傳統(tǒng)機械制造中殘余應(yīng)力可能產(chǎn)生的機制同樣適用于增材制造，在設(shè)計和打印的結(jié)構(gòu)零件中，意外或不可控的殘余應(yīng)力則可能會導(dǎo)致零件過早的失敗。有效克服零件制造中的殘余應(yīng)力顯得尤為重要。

UPrise3D切片軟件之應(yīng)力消除

基于升華三維自主研發(fā)的UPrise3D切片軟件開發(fā)出了應(yīng)力消除功能。通過開啟該功能，根據(jù)有需要消除應(yīng)力零件模型的不同結(jié)構(gòu)自動規(guī)劃打印方式和路徑，以最大限度地減少殘留應(yīng)力的累積。在打印環(huán)節(jié)，即可實現(xiàn)對模型在燒結(jié)步驟中的變形控制。

下面就通過打印開啟應(yīng)力消除和未開啟應(yīng)力消除功能的打印案例作說明：

△開啟應(yīng)力消除功能

VS

△未開啟應(yīng)力消除功能

從以上結(jié)構(gòu)件可以看出，在開啟應(yīng)力消除功能后，燒結(jié)后的角度基本無偏差。而未開啟應(yīng)力消除功能的結(jié)構(gòu)件，可以很直觀地看到已經(jīng)明顯的變形，且角度偏差比較大。

△應(yīng)力消除功能開啟前后成品（燒結(jié)）對比

而對于某些薄壁模型，會因為在打印方向上應(yīng)力累積，從而導(dǎo)致燒結(jié)后變形。從以下兩組薄壁樣例對比就可以看出，開啟應(yīng)力消除功能后，燒結(jié)成品明顯比未開啟的樣例變形程度小得多。

△開啟應(yīng)力消除功能

VS

△未開啟應(yīng)力消除功能

△應(yīng)力消除功能開啟前后成品（燒結(jié)）對比

為構(gòu)建3D打印智造創(chuàng)造更多可能

不論是直接3D打印還是間接3D打印工藝，同樣不論是塑料、金屬或是陶瓷材料。在打印成型或燒結(jié)過程中，殘余應(yīng)力是不可避免的。在通過零件的設(shè)計來將殘余應(yīng)力最小化的同時，采用系統(tǒng)本身的智能處理功能進行應(yīng)力消除的優(yōu)勢也逐步顯現(xiàn)。UPrise 3D切片軟件是升華三維——金屬/陶瓷間接3D打印全工藝鏈解決方案的重要軟件，也是支持三維模型到打印成型的核心技術(shù)系統(tǒng)。開發(fā)應(yīng)力消除功能的目的是最大限度地減少結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力，從而降低在進一步制造或最終使用零件期間其尺寸變化和結(jié)構(gòu)變形的風(fēng)險。

升華三維作為目前國內(nèi)為數(shù)不多的具備金屬/陶瓷材料開發(fā)制備、金屬/陶瓷3D打印機研發(fā)生產(chǎn)、切片軟件開發(fā)到3D打印工藝、脫脂及燒結(jié)工藝一整套金屬/陶瓷間接3D打印工藝鏈及解決方案的供應(yīng)商。一直致力于面向解決金屬·陶瓷傳統(tǒng)制造工藝無法制造的難題，積極貫通金屬/陶瓷制造全鏈條、全流程、全配套的高附加值服務(wù)。升華三維也將深耕技術(shù)，響應(yīng)市場應(yīng)用需求，不斷開發(fā)和完善軟件及硬件功能，提升工藝解決服務(wù)能力。為構(gòu)建3D打印智造世界創(chuàng)造更多可能。