能量輸入對SLM成形金屬零件致密度的影響

劉 璇，陳偉明

（佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528137）

能量輸入對SLM成形金屬零件致密度的影響

劉 璇，陳偉明

（佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528137）

具體探究有關(guān)選區(qū)位置上激光熔化所產(chǎn)生的單熔道及主要成因。隨著掃描速度進(jìn)一步增加，則單熔道開始作為連續(xù)過渡并形成斷續(xù)態(tài)以及球化態(tài)。本研究將會在單熔道條件下完成正式的試驗，同時，也進(jìn)一步分析了SLM(激光熔化)的問題。并探究可能產(chǎn)生對形成金屬零件致密度方面的影響。此外，能量輸入相對較低情況下，致密度可能會因為能量輸入水平提升而變大。致密度表現(xiàn)出緩慢增加狀態(tài)則開始進(jìn)入到屈服環(huán)節(jié)。在能量進(jìn)一步增加的情況下，將會造成致密度受到影響且表現(xiàn)出復(fù)雜化特點(diǎn)。本研究結(jié)合能量輸入以及致密度等問題與關(guān)系，并能夠?qū)LM形成工藝產(chǎn)生具體指導(dǎo)作用。

選取激光熔化；能量輸入；單熔道

對選取激光熔化產(chǎn)生影響的各項因素較多，其中具體包括了各項激光參數(shù)，激光功能、光束功能等。另外，也包括了掃描參數(shù)、粉末參數(shù)等內(nèi)容。國內(nèi)外針對SLM的成型質(zhì)量方面的影響因素超過130個以上。這當(dāng)中的關(guān)鍵影響因素超過13個，其中SLM工藝相對更加復(fù)雜，也可能造成更高的實驗成本，為此，需要建立更加科學(xué)的辦法進(jìn)行實驗。長期以來，尚未能夠建立更加科學(xué)統(tǒng)一的機(jī)制，以便可以確保所有參數(shù)都能夠統(tǒng)一在能像密度輸入方面的闡釋。所有研究者針對能量輸入方面的定義也各有差異，同時，可以更加綜合性地考察相關(guān)參數(shù)，本研究希望可以對未來技術(shù)研究形成一定的進(jìn)步。

1 實驗方法分析

（1）基本原理及設(shè)備分析。SLM基本原理屬于計算機(jī)方面應(yīng)用三維造型軟件等建立設(shè)計的一種實體模型。可以完成對STL格式下的路徑保存，并借助專門軟件等完成對模型的修補(bǔ)，甚至可以支撐添加，并通過切片的方式獲得所有截面的數(shù)據(jù)。通過輪廓數(shù)據(jù)產(chǎn)生填充路徑，SLM成形設(shè)備可以根據(jù)相關(guān)填充掃描線等有效控制激光束選區(qū)熔化各層位置上的粉末材料，粉末材料可以在一定條件下達(dá)到熔化溫度，并可以逐層達(dá)到堆疊三維金屬零件的情況。

在進(jìn)行實驗的過程中，需要確定實驗設(shè)備。實驗設(shè)備主要可以選擇波長達(dá)到1090mm的連續(xù)式結(jié)構(gòu)的光線激光設(shè)備。激光借助光線材料可以完成傳輸，振鏡掃描之后則通過借助鏡子完成聚焦，由此可以確保激光掃描可以在任何位置上完成。振境掃描速度將能夠超過5m/S,此時，激光光束產(chǎn)生的質(zhì)量因子將能夠達(dá)到M≤1.1，此時聚焦所形成的光斑直徑將可以達(dá)到30～200μm，為了可以更好避免熔池材料氧化，才開展實驗的環(huán)節(jié)中，主要利用的是氬氣保護(hù)。

（2）實驗材料分析。實驗材料之中，一方面因為掃描速度進(jìn)一步提升，熔道形態(tài)之中具體涵蓋了連續(xù)態(tài)、斷續(xù)態(tài)以及球化態(tài)不同類型。在掃描速度可以達(dá)到150～200mm/s的情況下，激光能量則能夠為熔化光斑產(chǎn)生足夠能量。并形成足夠粉末，其能在長時間范圍內(nèi)促使熔化的金屬液具有聯(lián)合公安輔助效果，可以獲得更加光滑與連續(xù)性的熔道。同時，因為速度提升并達(dá)到了250mm/s，熔道也開始表現(xiàn)出具有連續(xù)性的狀態(tài)，造成這種情況的主要成因是激光能量輸入將會可以對粉末進(jìn)行熔化。但是尚未能夠獲得足夠充分的能量熔化基體，由此將可能產(chǎn)生熔池的潤濕性達(dá)不到理想狀態(tài)，為此，也將會進(jìn)一步降低潤濕時間，熔池則也開始進(jìn)入到降低表面能的狀態(tài)之中，并將會快速形成球型顆粒。

（3）實驗步驟。①單熔道實驗。本次研究中知道粉末物理特征為常亮情況，光纖激光器所設(shè)計的激光模式采用的是高斯模，光束質(zhì)量被設(shè)計為是常亮，鋪粉之后將能夠得到更加平整的鋪粉層。本研究中為可以建立十分簡潔有效的設(shè)計計劃，建立單熔道實驗。對掃描速度實施調(diào)整，從150mm/s轉(zhuǎn)變?yōu)?50mm/s，此時激光功率可以達(dá)到P=150W。②正交實驗分析。基于單熔道設(shè)計與實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，掃描間距一般情況下將會低于單道線實際線寬的120μm。設(shè)計過程中確定了六因素以及五水平，并采取了多次試驗。綜合分析，成型階段為在多次之后表現(xiàn)出穩(wěn)定性，成型層位置上少數(shù)不能夠?qū)Τ尚涡Ч嬖诳陀^說明，成型層更加會影響實驗效率。為了可以幫助激光在基板的不同位置上進(jìn)行掃描，且能夠獲得在更多位置上建立相同功率密度，則所有樣品都能夠在基板上成形。實驗指標(biāo)借助的是測量致密度完成分析，致密度采用的是阿基米德原理。③密度輸入。將致密度作為基本考察對象，根據(jù)不同工藝參數(shù)所能夠產(chǎn)生對致密度方面的影響及趨勢進(jìn)行分析，綜合分析并輸入與致密度之間的關(guān)系，本研究中采用了Z作為掃描策略，其中實線代表的是激光掃描軌ψ跡，而虛線則表示的是掃描所具有的方向速度，一般情況下，掃描速度可以通過v表示。

假設(shè)掃描策略所受到的影響要素是k，此時將能夠獲得激光能量輸入，并可以通過公式進(jìn)行表達(dá)：

上式中，表示的是能量輸入的增量情況，代表的是相鄰熔道彼此形成的搭接率，d表示的是聚焦光斑產(chǎn)生的直徑情況。

P代表了激光功率情況。激光光斑更加趨向了近圓形，當(dāng)前主要采用的是作為熔道搭接率的表示方式，其中s代表了掃描間距，上述中所建立的公式尚未能夠綜合考慮熔池寬度情況，計算搭接率尚未能夠確定真正的搭接率。

單位時間范圍內(nèi)通過掃描方向熔池成形體積近似表示將可以表現(xiàn)為V1=vdmh，單位時間也將會建立成形方向熔池體積。

通過分析相關(guān)具體公式，可以發(fā)現(xiàn)能量輸入量關(guān)聯(lián)激光功率，另外，包括了掃描間距、速度、加工層厚等不同方面的參數(shù)。結(jié)合公式與相關(guān)數(shù)據(jù)分析，研究人員主要應(yīng)用的能量輸入公式之間存在明顯區(qū)別，綜合分析熔池寬度以及能量積累情況之間的影響，并結(jié)合熔池寬度等完成比值計算，就能夠基本上獲得能量積累因子。一旦需要計算精確的能量積累情況，則應(yīng)當(dāng)增加系數(shù)因子，促使能量發(fā)生轉(zhuǎn)變，在各類激光功能功率、加工層厚等因素條件下將會擁有多種系數(shù)因子，本研究為了簡化，就將其設(shè)定為1。

為能夠更好地實現(xiàn)致密化SLM成形件，一方面需要打動能量輸入要求，另一方面也需要綜合分析搭接所需的各項條件。需要兼具兩個方面的因素之后，才能夠真正實現(xiàn)成形效果。搭接率的影響下，也將會造成已經(jīng)成形的熔道等會對工具層產(chǎn)生預(yù)熱效果，并將會進(jìn)一步增加此效果。為此，通過分析公式，則可以確定特定材料，并能夠在開始過程中完成能量輸入，并實現(xiàn)粉末熔化，由此建立更加具有光滑特性的熔道，但是此過程中受到熔道搭接以及多層層數(shù)等方面的影響，也將會砸場輸入量上的增加，進(jìn)一步產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力提升的情況，此時將可能產(chǎn)生翹曲變形以及裂紋問題。為此，為了能夠得到具有高致密性的零件，還需要加工降低初始設(shè)定的激光能量輸入大小。

總之，SLM成形致密性金屬零件的條件包括2個方面：①E1=P/vdh。通過公式可以發(fā)現(xiàn)，擁有足夠能量可以實現(xiàn)熔化粉末，但是尚未得到單熔道效果。②降低能量就能夠擁有致密的形成效果。第三，則掃描線之間所建立的搭接率應(yīng)當(dāng)基于一定的參數(shù)值基礎(chǔ)上。

2 實驗結(jié)果及討論

本研究采取了正交試驗，并對相關(guān)致密度結(jié)果進(jìn)行了測量分析。通過結(jié)合正交試驗可以知道，不同能量輸入產(chǎn)生的定義情況。由此可以獲得所有能量輸入模型以及致密度之間的關(guān)系趨勢。通過相關(guān)數(shù)據(jù)分析，所有能量都能夠與致密度之間的關(guān)系曲線表現(xiàn)在不同區(qū)域，其中第一區(qū)域之中采取上升趨勢，致密度將會根據(jù)能量輸入的方式不斷遞增。第二趨勢表現(xiàn)出屈服階段，此時將會受到能量輸入的影響，致密度幾乎不再進(jìn)行增長。

第三區(qū)域之中表現(xiàn)出遞增或者遞減，受到能量上升的影響，致密度也將會隨之增減。結(jié)合前述中結(jié)論及科研人員的數(shù)據(jù)結(jié)果，第一區(qū)域以及第二區(qū)域之間的結(jié)論保持一種一致性，也就是致密度將會受到能量輸入的影響而不斷增加，并進(jìn)入平穩(wěn)階段。從第三區(qū)域中，相關(guān)科研人員能夠受到能量輸入過高影響，最終會造成材料氣化并產(chǎn)生致密度降低的情況。所有科研人員也將會獲得致密度受到能量提升而不斷增加的結(jié)論。

能量輸入以及致密度兩者之間存在的并非是一種必然關(guān)系，而體現(xiàn)出一種宏觀性的趨勢，也就是在一定能量輸入的情況下，預(yù)期可能獲得一定致密性，反之，就是在已經(jīng)掌握了一定致密性的情況下，將可以獲得更優(yōu)的能量輸入。

綜上所述，致密化問題研究中能量輸入條件能夠被展現(xiàn)為多種形式。在能量輸入降低的情況下，致密度也會受到能量輸入方面的影響并進(jìn)一步增加。致密度增加緩慢的情況下，將會進(jìn)入到屈服狀態(tài)。其中，能量輸入將會對致密度的影響表現(xiàn)出復(fù)雜化特點(diǎn)。能量輸入以及其目的關(guān)系并非是必然關(guān)系，而屬于宏觀條件下的一種趨勢。也就是指在一定能量輸入預(yù)期條件下，將可以獲得致密度，反之則可以獲得致密度影響下的零件，此時可以達(dá)到足夠多的能量輸入。

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劉璇（1991-），女，廣東人，大學(xué)本科，主要研究方向：3D打印技術(shù)。