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

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(qiáng)度以完全熔融金屬粉末薄層。通過一對(duì)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(hù)氣流流過加工托盤，保護(hù)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?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。

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(diào)制激光器通過一系列相繼曝光達(dá)到相同的效果（右上）。來源：雷尼紹

在調(diào)制模式下，激光器的工作方式略有不同。通過重復(fù)打開和關(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。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(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？

化繁為簡，事半功倍。對(duì)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(jù)零件的精細(xì)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(shè)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(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]

圖2 激光功率與掃描速度關(guān)系圖 — 工藝結(jié)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(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大，則可能會(huì)使熔池過熱，能量滲透過深，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

P-V坐標(biāo)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(shí)現(xiàn)高效加工。來源：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(nèi)部反射，因此不會(huì)發(fā)生過度熔融。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)?，因而卷起的粉末量也?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。來源：雷尼紹

這樣的缺點(diǎn)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(huì)在下方遺留未熔融的粉末， 從而導(dǎo)致孔隙過多和分層風(fēng)險(xiǎn)。

深孔形成

如果以給定的速度施加的功率過大，激光會(huì)過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)部的激光能量內(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。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。

圖5 中度深孔效應(yīng) — 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(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)。

圖6 過度深孔效應(yīng) — 腔體過深會(huì)在零件表面下形成小孔。來源：雷尼紹

美國國家標(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。

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(jī)從上方測(cè)量鎳基合金熔池時(shí)，他們觀察到：以不同的掃描速度施加相同的激光功率時(shí)， 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(xiàng)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 — 在下方圖7中的最極端情況下，時(shí)間長達(dá)3 ms。

“球化”

當(dāng)掃描速度過快時(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。

圖8 掃描速度過快導(dǎo)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(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：

[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(shí)現(xiàn)高應(yīng)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(cè)量結(jié)果），J.C. Heigel, B.M.Lane.

來源：3D科學(xué)谷