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)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。

魔猴網(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(chēng)和特定參數(shù)集。

最優(yōu)激光工藝

固化與微觀結(jié)構(gòu)

對(duì)于金屬零件的性能特征形成而言，最關(guān)鍵的是固化過(guò)程。固化過(guò)程決定微觀結(jié)構(gòu)，進(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)一次全部固化，而且通常也不會(huì)在焊道內(nèi)均勻固化。在容易散熱的位置冷卻速度非?？?，并且大部分熱量會(huì)從熔池中傳導(dǎo)到周?chē)墓虘B(tài)金屬中。而相對(duì)較少的熱量會(huì)散發(fā)到附近的未熔融粉末中， 或者通過(guò)輻射散發(fā)到加工艙中。

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

隨著熔融金屬冷卻下來(lái)，熔池外部區(qū)域的溫度也下降到液相線溫度以下，這時(shí)合金的一個(gè)或多個(gè)相將開(kāi)始固化。熔池的外邊緣會(huì)形成蜂窩狀樹(shù)枝晶體，并向中心生長(zhǎng)。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)時(shí)才會(huì)固化。對(duì)向的蜂窩狀樹(shù)枝晶體生長(zhǎng)前沿形成了單獨(dú)的晶界，剩余的液相也會(huì)在晶界中聚集。

冷卻過(guò)程會(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)產(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)出現(xiàn)最糟糕的情況。

正如所見(jiàn)，熔池的尺寸、持續(xù)時(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)間較長(zhǎng)的熔池冷卻速度較慢，會(huì)產(chǎn)生比較粗糙的微觀結(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)的微觀結(jié)構(gòu)。

選區(qū)激光熔化（SLM）態(tài)鎳基合金中形成的柱狀晶粒（左），從圖中可以看出細(xì)長(zhǎng)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結(jié)構(gòu)以產(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)導(dǎo)致已固化的金屬發(fā)生更大程度的重熔，進(jìn)而影響其微觀結(jié)構(gòu)。較高的激光功率會(huì)導(dǎo)致形成更長(zhǎng)的柱狀垂直晶粒，每個(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)造成垂直與平行加工方向的機(jī)械特性差異加大。

最優(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)間最優(yōu)的熔池。也就是說(shuō)，以最優(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)力要求的微觀結(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)，激光功率和掃描速度成反比。因此，在P-V坐標(biāo)系中，能量密度輪廓線從原點(diǎn)輻射，同時(shí)密度與輪廓線的梯度相關(guān)。

 X即為這種材料的最佳加工點(diǎn)。來(lái)源：雷尼紹

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

掃描線距離

上文的分析中缺少一個(gè)關(guān)鍵因素：掃描線距離。上文的示意圖中假定掃描線距離是固定的，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)上，掃描線距離可以獨(dú)立于功率和速度而變化，而且還會(huì)影響能量密度。因此，通過(guò)改變掃描線距離可以沿多條P-V輪廓線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)輪廓線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），則可以通過(guò)增加掃描線間距來(lái)保持能量密度恒定。這樣是可行的，因?yàn)槿绻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彼此相融的前提下， 增加掃描線之間的間距。

掃描線距離對(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)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)能夠達(dá)到中央P-V輪廓線的掃描線距離，該輪廓線應(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)現(xiàn)合格的工藝結(jié)果，但是“X”是最理想的加工點(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）最相近的掃描線距離的加工效率最優(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)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)的能量輸入以完全熔融材料， 隨著層厚增加，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)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)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)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)，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)，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)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)向下傳導(dǎo)到下方已加工的金屬層中。熱量散發(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)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)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)形成深孔孔隙。新的最佳能量密度輪廓線比原來(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)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)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)注的重點(diǎn)是計(jì)算每種材料的理想實(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)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)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)零件都由許多實(shí)體部分和不同方向的表面組成。實(shí)體部分的加工要求是密度高、加工速度快、材料特性?xún)?yōu)。然而，邊界部分的優(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)而導(dǎo)致零件在序后處理期間發(fā)生損壞。下表面一般冷卻較慢，因?yàn)樗南路經(jīng)]有固體基板，因此在這個(gè)區(qū)域，需要盡量避免變形和浮渣。

實(shí)體邊界、上表面和下表面通常需要與零件實(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)質(zhì)量， 需要開(kāi)發(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)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)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)寬操作窗口，并在窗口中間找到最優(yōu)加工點(diǎn)，而且這個(gè)點(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。

來(lái)源;3D科學(xué)谷