如何計算金屬3D打印零件的理想工藝參數 -下篇

粉末床激光熔化（LPBF）是一種多用途的增材制造工藝，可直接從CAD文件生產(chǎn)出復雜的金屬零件，無(wú)需昂貴的模具， 并且能夠最大程度減少材料浪費。選擇用于熔融和固化金屬粉末的工藝參數至關(guān)重要，因為合金的熱反應會(huì )影響其完整性和強度。正確選擇適合所加工材料和特定零件的參數是加工成功的關(guān)鍵，尤其是在批量生產(chǎn)應用中。

雷尼紹（Renishaw）增材制造應用總監(jiān)Marc Saunders闡釋了如何計算金屬增材制造 (AM) 零件的理想工藝參數，探討了粉末床激光熔化工藝參數選擇的考量因素，以及這些因素如何定義“操作窗口”，并分析了加工過(guò)程對零件幾何形狀變化的靈敏性，這也是在進(jìn)行零件3D打印時(shí)需要針對具體應用選擇特定參數的原因。

本期，魔猴網(wǎng)將分享上篇，包括：粉末床激光熔化工藝概述，連續(xù)波和調制激光熔融，確定“操作窗口，在“操作窗口”內加工，熔融不足，深孔形成，球化幾個(gè)部分。

熔融特性及對零件密度的影響

LPBF概述

粉末床激光熔化是將高能摻鐿光纖激光束聚焦成一個(gè)小的光斑，使之具有足夠的能量強度以完全熔融金屬粉末薄層。通過(guò)一對掃描振鏡使激光在粉床上移動(dòng)，金屬粉末在激光的作用下熔融并與下層及相鄰的區(qū)域凝固相連，形成一道熔池。保護氣流流過(guò)加工托盤(pán)，保護熱金屬免于氧化，并安全地清除煙塵。

焊道的寬度大于激光光斑（大約是光斑直徑的2 到3倍），因為激光產(chǎn)生的熱量會(huì )傳導到周?chē)姆勰╊w粒，并將它們熔融到移動(dòng)熔池中。多條熔融軌道相互連接又重疊，形成一個(gè)與零件的分層相對應的固態(tài)(tài)金屬層。熔融軌道必須足夠深，才能部分重熔下方的金屬層，以形成完全致密的固體結構。粉末床激光熔化3D打印設備就是以這種方式逐層構建零件。

 連續(xù)波和調制激光熔化

金屬粉末熔化主要有兩種技術(shù) — 連續(xù)波和調制掃描。連續(xù)模式，顧名思義，是指連續(xù)不斷地傳輸激光能量以熔融粉末。這種技術(shù)采用的方法是引導激光光束來(lái)回掃描粉末床表面，使金屬粉末固化。由于掃描線(xiàn)重疊，因此每次連續(xù)掃描都會(huì )部分重熔前一條掃描線(xiàn)，從而凝固成焊材。

Renishaw_LPBF圖1 連續(xù)波激光掃描（左下）包含一系列重疊的掃描線(xiàn)，每條掃描線(xiàn)都是由激光連續(xù)熔融形成的。調制激光器通過(guò)一系列相繼曝光達到相同的效果（右上）。來(lái)源：雷尼紹

在調制模式下，激光器的工作方式略有不同。通過(guò)重復打開(kāi)和關(guān)閉激光器產(chǎn)生一系列曝光，并且兩次曝光之間有短暫間隔（10 – 20微秒）。每次曝光的區(qū)域都會(huì )與上一次曝光的區(qū)域部分重疊，從而形成近似的掃描線(xiàn)。這些掃描線(xiàn)高效掃過(guò)粉末床，以固化粉末成型金屬。

工藝參數基本介紹

將激光能量傳輸到粉末床上的方式取決于工藝參數。這些參數決定了能量強度和掃描速度。關(guān)鍵參數有：

激光功率：激光器在每單位時(shí)間內發(fā)(fā)射的總能量。

光斑尺寸：聚焦激光束的直徑 — 可以固定也可以編輯，取決于機器的聚焦系統(tǒng)。

掃描速度：光斑沿掃描矢量在粉末床上移動(dòng)的速度— 由調制激光系統(tǒng)的點(diǎn)距離和曝光時(shí)間決定。

掃描線(xiàn)距離：相鄰掃描矢量之間的間距，以便對上一條焊道進(jìn)行一定程度的重熔，從而確保完全覆蓋待熔區(qū)域。

層厚：每個(gè)待熔新粉末層的深度。

以上參數均可單獨調整，因此參數選擇是一種多變量選擇。

確定“操作窗口”

選擇參數的首要考慮是制成質(zhì)量均勻的全致密零件。零件密度是熔融質(zhì)量的關(guān)鍵指標 — 如果存在孔隙，則無(wú)法達到要求的強度、延展性和抗疲勞/抗蠕變性能。但是，如何在不計其數的參數中選擇正確的組合呢？

化繁為簡(jiǎn)，事半功倍。對于每個(gè)給定的加工件， 粉末的化學(xué)特性和粒度分布都是已定的。根據零件的精細程度和表面光潔度要求還可以確定層厚。在激光光斑尺寸（很多設備不允許在加工期間更改光斑尺寸）確定之后，只需要選擇激光功率、掃描速度和掃描線(xiàn)距離即可。

一種解決方法是在P-V坐標系中繪出激光功率 (P) 與掃描速度 (V) 的關(guān)系。如圖2所示，參數選擇會(huì )影響工藝結果。[1]

圖2 激光功率與掃描速度關(guān)系圖 — 工藝結果是如何隨參數選擇而變化的。來(lái)源：雷尼紹

如果掃描速度過(guò)快，而激光功率過(guò)小，那么零件的某些區(qū)域可能無(wú)法完全熔融，導致因“熔融不足”而產(chǎn)生孔隙。相反，如果以選定的速度施加的功率過(guò)大，則可能會(huì )使熔池過(guò)熱，能量滲透過(guò)深，導致出現“深孔” 效應。

在這兩個(gè)極端情況之間是一個(gè)“操作窗口”，在這個(gè)范圍內能夠獲得良好的零件密度。在這個(gè)窗口內，激光能量足以完全熔融粉末及其下方的金屬層，而又不會(huì )滲透過(guò)深。

從圖2可以看出，同時(shí)增加激光功率和掃描速度可提高加工效率，這在某種程度上是可行的。但是，功率和速度都有一個(gè)限度。一旦超過(guò)這個(gè)限度，熔池就會(huì )變得不穩(wěn)定，并且會(huì )產(chǎn)生一種“球化”效應。激光功率增大時(shí)，飛濺物也可能增加。

在“操作窗口”內加工

P-V坐標圖上的中央“操作窗口”是正確的速度和功率組合，可產(chǎn)生最佳尺寸的穩(wěn)定熔池，如圖3所示。在這種組合條件下，激光能量被粉末有效吸收，形成足夠深度的熔池，與下方的金屬層牢固融合，同時(shí)又避免過(guò)度重熔。

圖3 在最優(yōu)(yōu)速度和功率組合條件下，形成穩(wěn)定的熔池，滲透到正確的深度，實(shí)現高效加工。來(lái)源：雷尼紹

在這個(gè)加工區(qū)中，激光反沖壓力會(huì )產(chǎn)生一個(gè)淺腔。激光移動(dòng)加熱腔體正面，產(chǎn)生垂直于表面（即向上和向后）噴射的金屬蒸氣羽流。由于淺腔中不存在內部反射，因此不會(huì )發(fā)(fā)生過(guò)度熔融。熱能被傳導到熔池中， 由于池內的高溫梯度和表面張力，熔池出現一定程度的湍流。這種流動(dòng)會(huì )導致某些物質(zhì)以焊接飛濺物的形式噴出。

移動(dòng)的蒸氣羽流在熔池周?chē)a(chǎn)生一種類(lèi)似于氣象系統(tǒng)的環(huán)(huán)境。它可以從焊道周?chē)砥鸱勰?，通過(guò)伯努利效應將粉末拉入激光束中，然后向外噴出。粉末在穿過(guò)激光時(shí)會(huì )有一部分被熔融，而剩余粉末則在激光束附近被像“風(fēng)”一樣的誘導氣流吹散。

 熔融不足

如果以給定的速度施加的功率過(guò)小，那么熔池將變小。這意味著(zhù)固化速度變快，而湍流變小，飛濺物減少。蒸氣羽流將變弱，因而卷起的粉末量也會(huì )減少。

圖4 激光能量滲透不足會(huì )遺留未熔融的材料，造成零件瑕疵。來(lái)源：雷尼紹

這樣的缺點(diǎn)是，較低的激光能量可能無(wú)法滲透足夠的深度，因而不能完全熔融粉末層及其下方金屬固體的最頂層。如圖4所示，這會(huì )在下方遺留未熔融的粉末， 從而導致孔隙過(guò)多和分層風(fēng)險。

深孔形成

如果以給定的速度施加的功率過(guò)大，激光會(huì )過(guò)度穿透到粉末層下方的金屬層中，導致形成深孔。這種情況下會(huì )在表層形成深腔，而且深腔上的金屬蒸氣噴射會(huì )更加垂直。腔體內部的激光能量?jì)炔糠瓷鋾?huì )將更多的熱量傳導到材料中更深的位置，導致熔池更深、持續(xù)時(shí)間更長(cháng)。能量輸入增加將導致熔池湍流變大，飛濺物增加， 同時(shí)“氣象系統(tǒng)”更加劇烈，卷起更多粉末。

圖5 中度深孔效應 — 高能激光光斑形成深腔。來(lái)源：雷尼紹

如果深孔不穩(wěn)定（受功率、掃描速度和熔池動(dòng)力學(xué)影響），熔池會(huì )在腔體上塌陷，導致底部形成惰性氣孔。當熔池凝固時(shí)，這些氣孔可能不會(huì )閉合，因而在金屬固體中產(chǎn)生表面下孔隙。下方的金屬層也會(huì )發(fā)(fā)生更大程度的重熔，進(jìn)而影響已固化材料的微觀(guān)結構。

圖6 過(guò)度深孔效應 — 腔體過(guò)深會(huì )在零件表面下形成小孔。來(lái)源：雷尼紹

美國國家標準與技術(shù)研究院 (NIST) 的實(shí)驗結果證明了參數選擇對熔池尺寸的影響 — 見(jiàn)圖6。

圖7 在P-V坐標系中的不同點(diǎn)， 鎳基合金熔池尺寸的實(shí)驗測量結果。

圖中左上方陰影區(qū)的功率和速度組合（特別是情況5）是深孔形成區(qū)。[2] 來(lái)源：雷尼紹

在使用紅外攝像機從上方測量鎳基合金熔池時(shí)，他們觀(guān)察到：以不同的掃描速度施加相同的激光功率時(shí)， 熔池長(cháng)度大致恒定。然而，隨著(zhù)速度降低，熔池變寬， 面積也隨之變大。在這項研究中，以從200 mm/秒到800 mm/秒不等的速度施加200 W的激光功率時(shí)，熔池的長(cháng)度大約為0.6 mm。在較慢的掃描速度下形成的更寬（因而更深）的熔池具有更多的熱能，因此固化時(shí)間更長(cháng) — 在下方圖7中的最極端情況下，時(shí)間長(cháng)達3 ms。

“球化”

當掃描速度過(guò)快時(shí)，熔池會(huì )變得不穩(wěn)定。高表面張力梯度會(huì )導致在激光束后面形成空隙，這些空隙會(huì )隨著(zhù)激光的移動(dòng)而擴大，從而導致熔池分解，并最終固化成多個(gè)不相連的球體，如圖8所示。

圖8 掃描速度過(guò)快導致熔池不穩(wěn)定。來(lái)源：雷尼紹

-上篇完–

以上探討了粉末床激光熔化工藝的熔融特性及其對零件密度的影響。魔猴網(wǎng)將在下篇分享以下內容：固化與微觀(guān)結構，最優(yōu)(yōu)激光工藝，掃描線(xiàn)距離，層厚，為什么需要安全系數，標稱(chēng)和特定參數集。

參考資料：

[1] 該段及下文說(shuō)明改寫(xiě)自以下文章的研究成果：Towards optimal processing of additive manufactured metals for high strain rate properties（通過(guò)金屬增材制造零件的優(yōu)(yōu)化加工實(shí)現高應變率特性），Robert M. Suter, He Liu, A.D. (Tony) Rollett, presented at SSSAP Chicago, April 2017.

[2] MSEC2017-2942 Measurement of the melt pool length during single scan tracks in a commercial laser powder bed fusion process（商用激光粉末床熔融工藝中單道掃描的熔池長(cháng)度測量結果），J.C. Heigel, B.M.Lane.

來(lái)源：3D科學(xué)谷