如何計算金屬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)出復雜的金屬零件，無需昂貴的模具， 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(shù)至關重要，因為合金的熱反應會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(shù)是加工成功的關鍵，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(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”，并分析了加工過程對零件幾何形狀變化的靈敏性，這也是在進行零件3D打印時需要針對具體應用選擇特定參數(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。通過一對掃描振鏡使激光在粉床上移動，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。保護氣流流過加工托盤，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)生的熱量會傳導到周圍的粉末顆粒，并將它們熔融到移動熔池中。多條熔融軌道相互連接又重疊，形成一個與零件的分層相對應的固態(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 — 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。這種技術采用的方法是引導激光光束來回掃描粉末床表面，使金屬粉末固化。由于掃描線重疊，因此每次連續(xù)掃描都會部分重熔前一條掃描線，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，每條掃描線都是由激光連續(xù)熔融形成的。調制激光器通過一系列相繼曝光達到相同的效果（右上）。來源：雷尼紹

在調制模式下，激光器的工作方式略有不同。通過重復打開和關閉激光器產(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)域都會與上一次曝光的區(qū)域部分重疊，從而形成近似的掃描線。這些掃描線高效掃過粉末床，以固化粉末成型金屬。

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)決定了能量強度和掃描速度。關鍵參數(shù)有：

激光功率：激光器在每單位時間內發(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的速度— 由調制激光系統(tǒng)的點距離和曝光時間決定。

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

層厚：每個待熔新粉末層的深度。

以上參數(shù)均可單獨調整，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量均勻的全致密零件。零件密度是熔融質量的關鍵指標 — 如果存在孔隙，則無法達到要求的強度、延展性和抗疲勞/抗蠕變性能。但是，如何在不計其數(shù)的參數(shù)中選擇正確的組合呢？

化繁為簡，事半功倍。對于每個給定的加工件， 粉末的化學特性和粒度分布都是已定的。根據(jù)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) 的關系。如圖2所示，參數(shù)選擇會影響工藝結果。[1]

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

如果掃描速度過快，而激光功率過小，那么零件的某些區(qū)域可能無法完全熔融，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大，則可能會使熔池過熱，能量滲透過深，導致出現(xiàn)“深孔” 效應。

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

從圖2可以看出，同時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限度。一旦超過這個限度，熔池就會變得不穩(wěn)定，并且會產(chǎn)生一種“球化”效應。激光功率增大時，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，同時又避免過度重熔。

圖3 在最優(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，實現(xiàn)高效加工。來源：雷尼紹

在這個加工區(qū)中，激光反沖壓力會產(chǎn)生一個淺腔。激光移動加熱腔體正面，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，因此不會發(fā)生過度熔融。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(xiàn)一定程度的湍流。這種流動會導致某些物質以焊接飛濺物的形式噴出。

移動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。粉末在穿過激光時會有一部分被熔融，而剩余粉末則在激光束附近被像“風”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。蒸氣羽流將變弱，因而卷起的粉末量也會減少。

圖4 激光能量滲透不足會遺留未熔融的材料，造成零件瑕疵。來源：雷尼紹

這樣的缺點是，較低的激光能量可能無法滲透足夠的深度，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，這會在下方遺留未熔融的粉末， 從而導致孔隙過多和分層風險。

深孔形成

如果以給定的速度施加的功率過大，激光會過度穿透到粉末層下方的金屬層中，導致形成深孔。這種情況下會在表層形成深腔，而且深腔上的金屬蒸氣噴射會更加垂直。腔體內部的激光能量內部反射會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)時間更長。能量輸入增加將導致熔池湍流變大，飛濺物增加， 同時“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。來源：雷尼紹

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

圖6 過度深孔效應 — 腔體過深會在零件表面下形成小孔。來源：雷尼紹

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

圖7 在P-V坐標系中的不同點， 鎳基合金熔池尺寸的實驗測量結果。

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] 來源：雷尼紹

在使用紅外攝像機從上方測量鎳基合金熔池時，他們觀察到：以不同的掃描速度施加相同的激光功率時， 熔池長度大致恒定。然而，隨著速度降低，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，熔池的長度大約為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，因此固化時間更長 — 在下方圖7中的最極端情況下，時間長達3 ms。

“球化”

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

圖8 掃描速度過快導致熔池不穩(wěn)定。來源：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：固化與微觀結構，最優(yōu)激光工藝，掃描線距離，層厚，為什么需要安全系數(shù)，標稱和特定參數(shù)集。

參考資料：

[1] 該段及下文說明改寫自以下文章的研究成果：Towards optimal processing of additive manufactured metals for high strain rate properties（通過金屬增材制造零件的優(yōu)化加工實現(xiàn)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度測量結果），J.C. Heigel, B.M.Lane.

來源：3D科學谷