如何計(jì)算金屬3D打印零件的理想工藝參數(shù) -上篇

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)(chǎn)出復(fù)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(fèi)。選擇用于熔融和固化金屬粉末的工藝參數(shù)至關(guān)(guān)重要，因?yàn)楹轄鸕臒岱磻?yīng)會(huì )(huì)影響其完整性和強(qiáng)度。正確選擇適合所加工材料和特定零件的參數(shù)是加工成功的關(guān)(guān)鍵，尤其是在批量生產(chǎn)(chǎn)應(yīng)用中。

雷尼紹（Renishaw）增材制造應(yīng)用總監(jiān)Marc Saunders 闡釋了如何計(jì)算金屬增材制造 (AM) 零件的理想工藝參數(shù)，探討了粉末床激光熔化工藝參數(shù)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(duì)零件幾何形狀變化的靈敏性，這也是在進(jìn)(jìn)行零件3D打印時(shí)(shí)需要針對(duì)具體應(yīng)用選擇特定參數(shù)的原因。

魔猴網(wǎng)(wǎng)已分享的上篇探討了粉末床激光熔化工藝的熔融特性及其對(duì)零件密度的影響。本期，將分享本文的下篇，包括：固化與微觀(guān)結(jié)構(gòu)，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(shù)，標(biāo)稱(chēng)和特定參數(shù)集。

最優(yōu)(yōu)激光工藝

固化與微觀(guān)結(jié)構(gòu)

對(duì)于金屬零件的性能特征形成而言，最關(guān)(guān)鍵的是固化過(guò)程。固化過(guò)程決定微觀(guān)結(jié)構(gòu)，進(jìn)(jìn)而形成材料特性。

許多合金很復(fù)雜，可能在不同的溫度和構(gòu)成下以多相形式存在，因此不會(huì )(huì)一次全部固化，而且通常也不會(huì )(huì)在焊道內(nèi)均勻固化。在容易散熱的位置冷卻速度非?？歟⑶掖蟛糠譄崍繒?huì)從熔池中傳導(dǎo)到周?chē)墓虘B(tài)(tài)金屬中。而相對(duì)較少的熱量會(huì )(huì)散發(fā)(fā)到附近的未熔融粉末中， 或者通過(guò)輻射散發(fā)(fā)到加工艙中。

冷卻的樹(shù)枝晶體在“糊狀”區(qū)域發(fā)(fā)生應(yīng)變，產(chǎn)(chǎn)生固化裂紋。來(lái)源：雷尼紹

隨著(zhù)熔融金屬冷卻下來(lái)，熔池外部區(qū)域的溫度也下降到液相線(xiàn)溫度以下，這時(shí)(shí)合金的一個(gè)(gè)或多個(gè)(gè)相將開(kāi)始固化。熔池的外邊緣會(huì )(huì)形成蜂窩狀樹(shù)枝晶體，并向中心生長(cháng)。殘余的液相滯留在這些初級(jí)樹(shù)枝晶體之間，在達(dá)到其更低的熔點(diǎn)(diǎn)時(shí)(shí)才會(huì )(huì)固化。對(duì)向的蜂窩狀樹(shù)枝晶體生長(cháng)前沿形成了單獨(dú)的晶界，剩余的液相也會(huì )(huì)在晶界中聚集。

冷卻過(guò)程會(huì )(huì)在這些蜂窩狀和晶界區(qū)域施加應(yīng)變， 通過(guò)某些材料中的“熱撕裂”或固化裂紋過(guò)程，可能會(huì )(huì)產(chǎn)(chǎn)生不應(yīng)該存在的孔隙。如果不同相的固化溫度差異很大，就會(huì )(huì)出現(xiàn)最糟糕的情況。

正如所見(jiàn)，熔池的尺寸、持續(xù)時(shí)(shí)間和冷卻速度很重要，因?yàn)檫@些因素決定材料的熱反應(yīng)。持續(xù)時(shí)(shí)間較長(cháng)的熔池冷卻速度較慢，會(huì )(huì)產(chǎn)(chǎn)生比較粗糙的微觀(guān)結(jié)構(gòu)，晶粒更大，樹(shù)枝晶更厚。相比之下，較小的熔池冷卻速度較快，可形成較為精細(xì)的微觀(guān)結(jié)構(gòu)。

選區(qū)激光熔化（SLM）態(tài)(tài)鎳基合金中形成的柱狀晶粒（左），從圖中可以看出細(xì)長(cháng)晶粒沿加工方向排列，而且跨越多層。此外，還有一些固化裂紋和晶界裂紋。序后熱處理可以閉合這類(lèi)孔隙，而且還可以修改微觀(guān)結(jié)構(gòu)以產(chǎn)(chǎn)生更多的等軸晶粒，從而形成更標(biāo)準(zhǔn)的材料屬性。來(lái)源：雷尼紹

較深的熔池也會(huì )(huì)導(dǎo)致已固化的金屬發(fā)(fā)生更大程度的重熔，進(jìn)(jìn)而影響其微觀(guān)結(jié)構(gòu)。較高的激光功率會(huì )(huì)導(dǎo)致形成更長(cháng)的柱狀垂直晶粒，每個(gè)(gè)晶粒都跨越多層。由于較深的熔池與下方的金屬固體有較大的接觸面積，因此更多的熱量向下傳導(dǎo)，導(dǎo)致在垂直方向上形成更多晶粒。這會(huì )(huì)造成垂直與平行加工方向的機(jī)械特性差異加大。

最優(yōu)(yōu)激光工藝

因此，雷尼紹團(tuán)隊(duì)決定計(jì)算出一種理想的速度和功率組合，以形成深度、寬度和持續(xù)時(shí)(shí)間最優(yōu)(yōu)的熔池。也就是說(shuō)，以最優(yōu)(yōu)能量加工零件。找到正確的組合，即可降低孔隙率，形成滿(mǎn)足材料特性和生產(chǎn)(chǎn)力要求的微觀(guān)結(jié)構(gòu)。

一種辦法是計(jì)算“能量密度”，即施加到單位體積材料上的能量。能量密度恒定時(shí)(shí)，激光功率和掃描速度成反比。因此，在P-V坐標(biāo)系中，能量密度輪廓線(xiàn)從原點(diǎn)(diǎn)輻射，同時(shí)(shí)密度與輪廓線(xiàn)的梯度相關(guān)(guān)。

 X即為這種材料的最佳加工點(diǎn)(diǎn)。來(lái)源：雷尼紹

針對(duì)所選擇的材料和層厚，存在一個(gè)(gè)最佳能量密度，這個(gè)(gè)密度能夠?qū)崿F(xiàn)最高的加工效率和最準(zhǔn)確的微觀(guān)結(jié)構(gòu)。在選擇工藝參數(shù)時(shí)(shí)，我們希望在增材制造設(shè)備的激光和聚焦光學(xué)(xué)組件的能力范圍內(nèi)，盡可能遠(yuǎn)離邊界避免冒險(xiǎn)進(jìn)(jìn)入球化區(qū)間。從而實(shí)(shí)現(xiàn)最優(yōu)(yōu)的材料特性和生產(chǎn)(chǎn)力。在上圖中，“X”即為最佳加工點(diǎn)(diǎn)。

掃描線(xiàn)距離

上文的分析中缺少一個(gè)(gè)關(guān)(guān)鍵因素：掃描線(xiàn)距離。上文的示意圖中假定掃描線(xiàn)距離是固定的，因此能量密度僅由激光功率和掃描速度決定。

圖12 能量密度公式。來(lái)源：雷尼紹

事實(shí)(shí)上，掃描線(xiàn)距離可以獨(dú)立于功率和速度而變化，而且還會(huì )(huì)影響能量密度。因此，通過(guò)改變掃描線(xiàn)距離可以沿多條P-V輪廓線(xiàn)保持相同的能量密度。因而可以通過(guò)許多不同的方式施加相同的能量到加工層上。

下圖中橙色箭頭所示的所有三個(gè)(gè)輪廓線(xiàn)具有相同的能量密度。例如，如果采用較高的功率/速度比（即我們選擇更接近深孔形成區(qū)的較陡的輪廓線(xiàn)），則可以通過(guò)增加掃描線(xiàn)間距來(lái)保持能量密度恒定。這樣是可行的，因?yàn)槿綣么┩感愿鼜?qiáng)的激光束形成更寬、更深的熔池，那么可以在確保所有掃描線(xiàn)彼此相融的前提下， 增加掃描線(xiàn)之間的間距。

掃描線(xiàn)距離對(duì)熔融工藝結(jié)果的影響。來(lái)源：雷尼紹

但是，由于上文上述的原因，這樣做會(huì )(huì)導(dǎo)致材料特性變差。越靠近深孔形成區(qū)，工藝安全系數(shù)就越低，因此這些參數(shù)可能不適用于某些幾何形狀。所以必須選擇一個(gè)(gè)能夠達(dá)到中央P-V輪廓線(xiàn)的掃描線(xiàn)距離，該輪廓線(xiàn)應(yīng)遠(yuǎn)離熔融不足和深孔形成區(qū)間。

上圖中藍(lán)色區(qū)域中的參數(shù)組合應(yīng)能實(shí)(shí)現(xiàn)合格的工藝結(jié)果，但是“X”是最理想的加工點(diǎn)(diǎn)。由于來(lái)自激光光束的大部分能量都被吸收在熔融軌道中心的激光光斑內(nèi)，因此，一般來(lái)說(shuō)，與光斑尺寸（或熔融軌道寬度的一半左右）最相近的掃描線(xiàn)距離的加工效率最優(yōu)(yōu)。

層厚

在上文討論的情形中，層厚是固定的。如果改變層厚又會(huì )(huì)如何？如果對(duì)表面光潔度要求不高，是否可以增加層厚以提高加工效率？

在一定程度上，答案是肯定的。顯然，粉末層越厚就要求激光能量滲透更深，才能確保與下方的金屬層完全融合。為了獲得最優(yōu)(yōu)的能量輸入以完全熔融材料， 隨著(zhù)層厚增加，必須相應(yīng)增加每層的能量輸入。如此一來(lái)，能量密度輪廓線(xiàn)變得更加陡峭。

 層厚與操作窗口大小成反比。來(lái)源：雷尼紹

層厚增加會(huì )(huì)擴(kuò)大上圖上的“熔融不足”區(qū)間，從而縮小其與深孔形成區(qū)間之間的間隙。深孔形成區(qū)間本身可能不會(huì )(huì)隨層厚出現(xiàn)很大變化，因?yàn)檫@種效應(yīng)由激光光斑的強(qiáng)度和速度以及激光光斑與材料的相互作用方式控制。

因而，操作窗口逐漸變小，最終在某個(gè)(gè)層厚上，在保持熔池穩(wěn)定并且與下方的金屬層充分融合的同時(shí)(shí)，無(wú)法滲透足夠的深度。

能夠提供合理的操作窗口的可行層厚因材料而異， 但是一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)激光功率達(dá)到500 W，光斑直徑為70 至100微米時(shí)(shí)，可行層厚范圍為30至90微米。

針對(duì)較厚的粉末層，可以相應(yīng)地增加光斑尺寸，以降低較高激光功率下的光斑強(qiáng)度。然而，這種變化會(huì )(huì)導(dǎo)致保真度損失，熔池尺寸和飛濺物增加，并且還可能影響微觀(guān)結(jié)構(gòu)和材料特性。

為什么需要安全系數(shù)？

需要較寬的操作窗口的原因是，加工件上所有區(qū)域的熱條件并不總是恒定的。每增加一層，熱量就會(huì )(huì)向下傳導(dǎo)到下方已加工的金屬層中。熱量散發(fā)(fā)情況取決于零件的局部幾何形狀和材料特性。

如果與下方的基板之間有良好的導(dǎo)熱連接，那么熱量將有效消散。相比之下，如果零件的幾何形狀包含薄壁，或者如果在較薄的部分上方直接加工實(shí)(shí)體部分，那么熱量將無(wú)法順利向下傳導(dǎo)，導(dǎo)致較多的熱量余留在零件最頂層附近。這種效應(yīng)在導(dǎo)熱率相對(duì)較低的材料（例如Ti6Al4V）中最為明顯。參見(jiàn)下圖。

幾何形狀對(duì)余留熱量的影響；b 余留熱量使操作窗口變窄。來(lái)源：雷尼紹

在這種條件下，基板和粉末已被預(yù)熱，因此只需要較少的能量輸入即可產(chǎn)(chǎn)生相同的熔融效果。這種預(yù)熱對(duì)熔融過(guò)程的影響是，擴(kuò)大了深孔形成區(qū)間，導(dǎo)致以更低的功率便會(huì )(huì)形成深孔孔隙。新的最佳能量密度輪廓線(xiàn)比原來(lái)的更低，而且操作窗口更窄。參見(jiàn)圖15b。

一種可能的補(bǔ)救措施是，使用模擬技術(shù)(shù)來(lái)確定零件可能過(guò)熱的區(qū)域，并減少在這些區(qū)域中輸入的激光能量，以抵消這種預(yù)熱效應(yīng)。

將這一點(diǎn)(diǎn)與上文所說(shuō)的層厚因素相結(jié)合得出的結(jié)論是：采用厚粉末層加工薄壁零件的難度很大。

標(biāo)稱(chēng)和特定參數(shù)集

上文關(guān)(guān)注的重點(diǎn)(diǎn)是計(jì)算每種材料的理想實(shí)(shí)體工藝參數(shù)，從而盡最大可能提高金屬零件的加工效率。但是，一個(gè)(gè)有效的參數(shù)集需要不只一種設(shè)置，因?yàn)榱慵牟煌瑓^(qū)域存在不同的熔融和冷卻條件。為制成滿(mǎn)足最終用途的零件，必須在實(shí)(shí)體參數(shù)中補(bǔ)充適合所加工的各種幾何形狀的專(zhuān)門(mén)設(shè)置。

每個(gè)(gè)零件都由許多實(shí)(shí)體部分和不同方向的表面組成。實(shí)(shí)體部分的加工要求是密度高、加工速度快、材料特性?xún)?yōu)(yōu)。然而，邊界部分的優(yōu)(yōu)先考慮因素有所不同。這部分最重視的可能是表面光潔度，以避免隱藏表面缺陷，進(jìn)(jìn)而導(dǎo)致零件在序后處理期間發(fā)(fā)生損壞。下表面一般冷卻較慢，因?yàn)樗南路經(jīng)(jīng)]有固體基板，因此在這個(gè)(gè)區(qū)域，需要盡量避免變形和浮渣。

實(shí)(shí)體邊界、上表面和下表面通常需要與零件實(shí)(shí)體不同的參數(shù)。來(lái)源：雷尼紹

通常在這些區(qū)域需要運(yùn)用截然不同的參數(shù)，因此， 即使標(biāo)稱(chēng)參數(shù)集中也包含針對(duì)零件不同區(qū)域的多種設(shè)置和掃描策略。為確保零件的所有區(qū)域都達(dá)到最優(yōu)(yōu)質(zhì)(zhì)量， 需要開(kāi)發(fā)(fā)更多應(yīng)用特定參數(shù)。

總結(jié)

工藝參數(shù)選擇對(duì)于增材制造加工成功至關(guān)(guān)重要，因?yàn)樗鼪Q定了材料將如何熔融和固化以形成我們需要的零件。由于每種合金粉末都以不同的方式吸收激光能量、傳遞熱量、流動(dòng)(dòng)并固化，因此必須針對(duì)待熔合金的具體特性來(lái)選擇工藝參數(shù)。

必須在增材制造設(shè)備的能力范圍內(nèi)確定一個(gè)(gè)寬操作窗口，并在窗口中間找到最優(yōu)(yōu)加工點(diǎn)(diǎn)，而且這個(gè)(gè)點(diǎn)(diǎn)的安全余量應(yīng)能夠適應(yīng)各種局部熔融條件。即使如此，某些幾何形狀可能仍需要修改參數(shù)方可適應(yīng)余留熱量的變化。邊界和下表面區(qū)域也可能需要不同的工藝參數(shù)和掃描策略，才能滿(mǎn)足表面光潔度要求。

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