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如何計算金屬3D打印

發(fā)布時間：2022-08-21 16:10:15瀏覽：7096點贊：

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(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。選擇用于熔融和固化金屬粉末的工藝參數(shù)至關(guān)重要

，因為合金的熱反應(yīng)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(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(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

，球化幾個部分。

熔融特性及對零件密度的影響

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）

，因為激光產(chǎn)生的熱量會傳導(dǎo)到周圍的粉末顆粒，并將它們?nèi)廴诘揭苿尤鄢刂?div id="m50uktp" class="box-center"> 。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(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(diào)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(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？

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)選擇會影響工藝結(jié)果。[1]

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)

。

在這兩個極端情況之間是一個“操作窗口”，在這個范圍內(nèi)能夠獲得良好的零件密度

。在這個窗口內(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(yīng)。激光功率增大時

，飛濺物也可能增加

。

在“操作窗口”內(nèi)加工

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(nèi)部反射

，因此不會發(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

。這種流動會導(dǎo)致某些物質(zhì)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(yīng)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(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)?div id="4qifd00" class="flower right">

，因而卷起的粉末量也會減少。

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(dǎo)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(nèi)部的激光能量內(nèi)部反射會將更多的熱量傳導(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“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

、掃描速度和熔池動力學(xué)影響），熔池會在腔體上塌陷

，導(dǎo)致底部形成惰性氣孔

。當(dāng)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(jié)構(gòu)

。

美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)的實驗結(jié)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(biāo)系中的不同點，鎳基合金熔池尺寸的實驗測量結(jié)果

。

“球化”

當(dāng)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(dǎo)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(dǎo)致熔池分解，并最終固化成多個不相連的球體

，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度測量結(jié)果），J.C. Heigel, B.M.Lane.

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