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如何計算金屬3D打印零件的理想工藝參數(shù) -下篇

魔猴君  行業(yè)(yè)資訊   1871天前

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如何計算金屬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)(chǎn)出復雜的金屬零件,無(wú)需昂貴的模具, 并且能夠最大程度減少材料浪費。選擇用于熔融和固化金屬粉末的工藝參數(shù)至關(guān)(guān)重要,因為合金的熱反應會(huì )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)(guān)鍵,尤其是在批量生產(chǎn)(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(guò)程對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)需要針對具體應用選擇特定參數(shù)的原因。

魔猴網(wǎng)(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零件密度的影響。本期,將分享本文的下篇,包括:固化與微觀(guān)結(jié)構(gòu),最優(yōu)(yōu)激光工藝,掃描線(xiàn)距離,層厚,為什么需要安全系數(shù),標稱(chēng)和特定參數(shù)集。

最優(yōu)(yōu)激光工藝

固化與微觀(guān)結(jié)構(gòu)

對于金屬零件的性能特征形成而言,最關(guān)(guān)鍵的是固化過(guò)程。固化過(guò)程決定微觀(guān)結(jié)構(gòu),進(jìn)而形成材料特性。

許多合金很復雜,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 )從熔池中傳導到周?chē)墓虘B(tài)(tài)金屬中。而相對較少的熱量會(huì )散發(fā)(fā)到附近的未熔融粉末中, 或者通過(guò)輻射散發(fā)(fā)到加工艙中。


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

隨著(zhù)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(xiàn)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(cháng)。殘余的液相滯留在這些初級樹(shù)枝晶體之間,在達到其更低的熔點(diǎn)時(shí)才會(huì )固化。對向的蜂窩狀樹(shù)枝晶體生長(cháng)前沿形成了單獨的晶界,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)(chǎn)生不應該存在的孔隙。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,因為這些因素決定材料的熱反應。持續(xù)時(shí)間較長(cháng)的熔池冷卻速度較慢,會(huì )產(chǎn)(chǎn)生比較粗糙的微觀(guān)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,可形成較為精細的微觀(guān)結(jié)構(gòu)。

選區(qū)激光熔化(SLM)態(tài)(tài)鎳基合金中形成的柱狀晶粒(左),從圖中可以看出細長(cháng)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(guān)結(jié)構(gòu)以產(chǎn)(chǎn)生更多的等軸晶粒,從而形成更標準的材料屬性。來(lái)源:雷尼紹

較深的熔池也會(huì )導致已固化的金屬發(fā)(fā)生更大程度的重熔,進(jìn)而影響其微觀(guān)結(jié)構(gòu)。較高的激光功率會(huì )導致形成更長(cháng)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,導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械特性差異加大。

最優(yōu)(yōu)激光工藝

因此,雷尼紹團隊決定計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)(yōu)的熔池。也就是說(shuō),以最優(yōu)(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)(chǎn)力要求的微觀(guān)結(jié)構(gòu)。

一種辦法是計算“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坐標系中,能量密度輪廓線(xiàn)從原點(diǎn)輻射,同時(shí)密度與輪廓線(xiàn)的梯度相關(guān)(guān)。

 X即為這種材料的最佳加工點(diǎn)。來(lái)源:雷尼紹

針對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確的微觀(guān)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),盡可能遠離邊界避免冒險進(jìn)入球化區(qū)間。從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)(yōu)的材料特性和生產(chǎn)(chǎn)力。在上圖中,“X”即為最佳加工點(diǎn)。

掃描線(xiàn)距離

上文的分析中缺少一個(gè)關(guān)(guān)鍵因素:掃描線(xiàn)距離。上文的示意圖中假定掃描線(xiàn)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。

12 能量密度公式。來(lái)源:雷尼紹

事實(shí)上,掃描線(xiàn)距離可以獨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(xiàn)距離可以沿多條P-V輪廓線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)),則可以通過(guò)增加掃描線(xiàn)間距來(lái)保持能量密度恒定。這樣是可行的,因為如果用穿透性更強的激光束形成更寬、更深的熔池,那么可以在確保所有掃描線(xiàn)彼此相融的前提下, 增加掃描線(xiàn)之間的間距。

掃描線(xiàn)距離對熔融工藝結(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)能夠達到中央P-V輪廓線(xiàn)的掃描線(xiàn)距離,該輪廓線(xiàn)應遠離熔融不足和深孔形成區(qū)間。

上圖中藍色區(qū)域中的參數(shù)組合應能實(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(xiàn)距離的加工效率最優(yōu)(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)(yōu)的能量輸入以完全熔融材料, 隨著(zhù)層厚增加,必須相應增加每層的能量輸入。如此一來(lái),能量密度輪廓線(xiàn)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,因為這種效應由激光光斑的強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),當激光功率達到500 W,光斑直徑為70 100微米時(shí),可行層厚范圍為3090微米。

針對較厚的粉末層,可以相應地增加光斑尺寸,以降低較高激光功率下的光斑強度。然而,這種變化會(huì )導致保真度損失,熔池尺寸和飛濺物增加,并且還可能影響微觀(guān)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 )向下傳導到下方已加工的金屬層中。熱量散發(fā)(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,導致較多的熱量余留在零件最頂層附近。這種效應在導熱率相對較低的材料(例如Ti6Al4V)中最為明顯。參見(jiàn)下圖。


幾何形狀對余留熱量的影響;b 余留熱量使操作窗口變窄。來(lái)源:雷尼紹

在這種條件下,基板和粉末已被預熱,因此只需要較少的能量輸入即可產(chǎn)(chǎn)生相同的熔融效果。這種預熱對熔融過(guò)程的影響是,擴大了深孔形成區(qū)間,導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(xiàn)比原來(lái)的更低,而且操作窗口更窄。參見(jiàn)圖15b。

一種可能的補救措施是,使用模擬技術(shù)(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,以抵消這種預熱效應。

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。

標稱(chēng)和特定參數(shù)集

上文關(guān)(guān)注的重點(diǎn)是計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,因為零件的不同區(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)(yōu)。然而,邊界部分的優(yōu)(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)而導致零件在序后處理期間發(fā)(fā)生損壞。下表面一般冷卻較慢,因為它的下方?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)域需要運用截然不同的參數(shù),因此, 即使標稱(chēng)參數(shù)集中也包含針對零件不同區(qū)域的多種設(shè)置和掃描策略。為確保零件的所有區(qū)域都達到最優(yōu)(yōu)質(zhì)(zhì)量, 需要開(kāi)發(fā)(fā)更多應用特定參數(shù)。

總結(jié)

工藝參數(shù)選擇對于增材制造加工成功至關(guān)(guān)重要,因為它決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)(yōu)加工點(diǎn),而且這個(gè)點(diǎn)的安全余量應能夠適應各種局部熔融條件。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。


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