如何計(jì)算金屬3D打印零件的理想工藝參數(shù) -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(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)重要，因?yàn)楹辖鸬臒岱磻?yīng)會(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)鍵，尤其是在批量生產(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)行零件3D打印時(shí)需要針對(duì)具體應(yīng)用選擇特定參數(shù)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(diào)制激光熔融，確定“操作窗口，在“操作窗口”內(nèi)加工，熔融不足，深孔形成，球化幾個(gè)部分。

熔融特性及對(duì)零件密度的影響

LPBF概述

焊道的寬度大于激光光斑（大約是光斑直徑的2到3倍），因?yàn)榧す猱a(chǎn)生的熱量會(huì)傳導(dǎo)到周圍的粉末顆粒，并將它們?nèi)廴诘揭苿?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(duì)應(yīng)的固態(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(jié)構(gòu)。粉末床激光熔化3D打印設(shè)備就是以這種方式逐層構(gòu)建零件。

連續(xù)波和調(diào)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(diào)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(dǎo)激光光束來(lái)回掃描粉末床表面，使金屬粉末固化。由于掃描線重疊，因此每次連續(xù)掃描都會(huì)部分重熔前一條掃描線，從而凝固成焊材。

工藝參數(shù)基本介紹

將激光能量傳輸?shù)椒勰┐采系姆绞饺Q于工藝參數(shù)。這些參數(shù)決定了能量強(qiáng)度和掃描速度。關(guān)鍵參數(shù)有：

激光功率：激光器在每單位時(shí)間內(nèi)發(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(jī)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(diào)制激光系統(tǒng)的點(diǎn)距離和曝光時(shí)間決定。

掃描線距離：相鄰掃描矢量之間的間距，以便對(duì)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(shù)均可單獨(dú)調(diào)整，因此參數(shù)選擇是一種多變量選擇。

確定“操作窗口”

選擇參數(shù)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(biāo)— 如果存在孔隙，則無(wú)法達(dá)到要求的強(qiáng)度、延展性和抗疲勞/抗蠕變性能。但是，如何在不計(jì)其數(shù)的參數(shù)中選擇正確的組合呢？

一種解決方法是在P-V坐標(biāo)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(shù)選擇會(huì)影響工藝結(jié)果。[1]

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(dǎo)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(dǎo)致出現(xiàn)“深孔” 效應(yīng)。

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(nèi)能夠獲得良好的零件密度。在這個(gè)窗口內(nèi)，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(yīng)。激光功率增大時(shí)，飛濺物也可能增加。

在“操作窗口”內(nèi)加工

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(nèi)部反射，因此不會(huì)發(fā)生過(guò)度熔融。熱能被傳導(dǎo)到熔池中，由于池內(nèi)的高溫梯度和表面張力，熔池出現(xiàn)一定程度的湍流。這種流動(dòng)會(huì)導(dǎo)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圍產(chǎn)生一種類似于氣象系統(tǒng)的環(huán)境。它可以從焊道周圍卷起粉末，通過(guò)伯努利效應(yīng)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(dǎo)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。這意味著固化速度變快，而湍流變小，飛濺物減少。蒸氣羽流將變?nèi)酰蚨砥鸬姆勰┝恳矔?huì)減少。

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(dǎo)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(nèi)部的激光能量?jī)?nèi)部反射會(huì)將更多的熱量傳導(dǎo)到材料中更深的位置，導(dǎo)致熔池更深、持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。能量輸入增加將導(dǎo)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。

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(dǎo)致底部形成惰性氣孔。當(dāng)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)生更大程度的重熔，進(jìn)而影響已固化材料的微觀結(jié)構(gòu)。

美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了參數(shù)選擇對(duì)熔池尺寸的影響 — 見(jiàn)圖6。

圖7在P-V坐標(biāo)系中的不同點(diǎn)， 鎳基合金熔池尺寸的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。

“球化”

當(dāng)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(dǎo)致在激光束后面形成空隙，這些空隙會(huì)隨著激光的移動(dòng)而擴(kuò)大，從而導(dǎo)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。

-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(duì)零件密度的影響。魔猴網(wǎng)將在下篇分享以下內(nèi)容：固化與微觀結(jié)構(gòu)，最優(yōu)激光工藝，掃描線距離，層厚，為什么需要安全系數(shù)，標(biāo)稱和特定參數(shù)集。

參考資料：

[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(zhǎng)度測(cè)量結(jié)果），J.C. Heigel, B.M.Lane.