激光選區熔化成形大尺寸薄壁件變形控制仿真與試驗研究

摘要：采用Simufact Additive軟件對典型大尺寸薄壁件——排氣管進行了增材制造過程工藝仿真分析。結果顯示，無約束下的排氣管零件在激光選區熔化（SLM）成形后具有較高的殘余應力，并存在較大變形；后處理釋放了零件殘余應力，但零件整體形變量進一步增至3.5 mm，最大形變量高達9 mm。通過引入具有高比強度、高比剛度的晶格結構作為控形輔助結構，設計了一種既具有足夠抵抗變形能力又能夠后處理去除的晶格工藝方案：單元格類型為QuadDiametral，桿徑1.3 mm，桿長19 mm，晶格區域寬度約60 mm。晶格約束下的排氣管零件SLM成形試驗結果與數值模擬結果相當吻合，三維掃描云圖結果顯示，零件整體變形量在1 mm左右，最大變形量不超過2.5 mm，滿足零件的使用要求。上述結果驗證了晶格結構用于SLM成形大尺寸薄壁件變形控制的有效性。

關鍵詞：增材制造；激光選區熔化；大尺寸薄壁件；仿真分析；變形控制；晶格結構

中圖分類號：V261.8

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2024.09.015

Simulation and Experimental Study of Deformation Control of Large-size and Thin-wall Parts by SLM

ZHANG Luo1 LIU Mingming2 CHEN Ruimin1 DAN Peng1 GUO Nan1

1.Jiangxi Changhe Aviation Industries Co.，Ltd.，Jingdezhen，Jiangxi，333000

2.HFYC（Zhenjiang）Additive Manufacturing Co.，Ltd.，Zhenjiang，Jiangsu，212001

Abstract： Simulate Additive software was used to simulate and analyze the additive manufacturing processes of a typical large-sized thin-walled component—exhaust pipe. The results show that the SLM formed exhaust pipe parts without constraints have high residual stress and significant deformation. The post-processing releases residual stress in the parts， but the overall deformation of the parts further increases to 3.5 mm， with a maximum deformation of 9 mm. A lattice structure was introduced with high specific strength and stiffness as an auxiliary structure for controlling deformations， and a lattice processing scheme was designed with sufficient resistance to deformation and may be removed through post-processing. The cell type is QuadDiamond， the rod diameter is" as 1.3 mm， the rod length is as 19 mm， and the width of the lattice region is about 60 mm. The SLM test results of the exhaust pipe parts under lattice constraints are quite consistent with the numerical simulation results. The cloud image results of the three-dimensional scanning show that the overall deformation of the part is about 1 mm， and the maximum deformation does not exceed 2.5 mm， meeting the requirements for the part use. The above results show the effectiveness of using lattice structure in deformation control of large-sized thin-walled parts formed by SLM.

Key words： additive manufacturing； selective laser melting（SLM）； large-size and thin-wall part； simulation analysis； deformation control； lattice structure

0 引言

航空航天領域輕量化、多功能集成化的需求不斷增加，金屬零件結構越來越復雜，傳統制造工藝面對的挑戰日益嚴峻［1］。

大尺寸薄壁件（直徑與壁厚比達到50以上［2］）廣泛應用于航空航天領域，但此類零件制造過程面臨著工序繁多、生產周期長、合格率低等問題。目前大尺寸薄壁件制造方法多以機加件和鈑金件焊接組合而成。機械加工與焊接殘余應力使薄壁產生一定的變形，甚至需要制造矯形工裝來減小變形。當零件為非回轉體異型結構時，傳統制造方法則更為棘手。近年來，金屬增材制造技術的快速發展為大尺寸薄壁件提供了一種新的制造工藝選擇。

金屬增材制造是基于離散-堆積原理，以三維數據模型為基礎［3］，以金屬粉末或絲材為原材料，以激光、電子束、電弧等為熱源，在軟件系統控制下將原材料逐層熔化堆積，制造高品質金屬零件的制造技術。其中，激光選區熔化成形技術（selective laser melting，SLM）是金屬增材制造領域中應用前景最為廣泛的精密制造工藝技術［4］。該工藝具備以下技術優勢：①設計自由度高，可實現多功能集成化制造；②無需工裝模具，生產靈活、可同時制造多種造型的零件，實現經濟小批量制造；③制件綜合性能優異，力學性能優于鑄造件，接近鍛造件。

SLM生產過程中存在較大的溫度梯度，熱應力水平較高，同時大尺寸薄壁件結構剛度差，致使零件易產生開裂、變形等問題。目前，學者們對激光選區熔化成形薄壁件變形問題進行了廣泛的研究。許明三等［5］基于ANSYS 軟件建立形變量預測模型，研究工藝參數（激光功率、掃描速度）與薄壁件形變量之間的關系，結果表明形變量與激光功率正相關，與掃描速度負相關。鄧洋洋［6］為控制SLM薄壁件的殘余應力及其分布，提出了一種將實體分區并使用不同的掃描路徑的規劃策略，該策略有效避免了單一掃描路徑（長線掃描或單向掃描）的缺點，實現了減少殘余應力并控制其分布的目的?？铝诌_等［7］建立了SLM過程的熱-結構耦合瞬時動態有限元模型，探究了鈦合金薄壁件的應力演變規律，結果顯示，SLM 生產過程存在熱應力峰，應力先增后減并最終趨緩接近殘余應力。洪昌［8］基于Simufact Additive 軟件模擬了熱處理工藝對GH4169薄片的殘余應力及變形的影響，研究發現，相較于無熱處理工藝、分離后熱處理這兩種工藝方案，先熱處理后分離的SLM成形件應力與變形均較小。史京帥等［9］從設計端出發，提出基于SLM技術的薄壁結構輕量化等剛度設計方法，增加比剛度，提高薄壁結構的可成形性。以上激光選區熔化成形薄壁件變形研究包含了工藝參數、掃描路徑規劃策略、殘余應力數值模擬、熱處理工藝、SLM成形薄壁結構設計方法等，給薄壁件激光選區熔化成形生產提供了一些理論與工藝數據參考。但這些研究指導下激光選區熔化成形薄壁件（尤其大尺寸薄壁件）仍存在一定的變形，不能滿足相關領域的設計使用要求。

Simufact Additive是一款金屬增材制造過程優化軟件，可采用像素體網格和固有應變方法進行SLM成形過程應力場、應變場預測［10］。通過工藝參數與支撐方案的多次迭代，實現SLM成形過程和零件結構優化。此外，它還可以模擬增材制造的熱處理、熱等靜壓、線切割等工藝過程。

本文從工藝角度出發，使用額外生成的輔助結構提高大尺寸薄壁件在生產過程的剛度。晶格結構具有較高的比剛度、比強度，與實體為點接觸，是理想的輔助控形結構。將大尺寸薄壁件與晶格結構點相連，可使大尺寸薄壁件獲得較高的變形抗力。本文首先使用Simufact Additive軟件模擬SLM成形大尺寸薄壁件在無約束下的應力變形情況，再使用三維軟件進行晶格工藝方案設計，接著模擬仿真迭代優化晶格工藝方案，最后打印試驗件驗證變形情況。

1 材料與構件

本文中材料為GH4169高溫合金，熱處理狀態為固溶+時效態，熱處理制度如下：固溶處理（980±10） ℃，保溫1 h，氬氣冷至室溫；時效處理（720±10）℃，保溫8 h，以（50±10）℃/h冷至（620±10）℃，保溫8 h，氬氣冷至室溫。其化學成分如表1所示。

本文以航空發動機系統典型的排氣管零件為研究對象，排氣管為大尺寸變厚度異形薄壁件，如圖1所示。零件尺寸約為460 mm×410 mm×580 mm，上段與下段壁厚0.8 mm，中段壁厚0.6 mm，徑厚比大于500。排氣管變形量控制在±0.6 mm以內，方可滿足使用需求。

本文采用的成形方案為SLM成形，該技術極為適合復雜造型結構零件的一體化成形。

2 排氣管零件增材制造過程工藝仿真分析

2.1 無約束下的排氣管零件數值模擬

排氣管支撐方案設計如圖2所示，基板尺寸650 mm×650 mm×80 mm，材質與零件材質相同。本文采用的SLM成形工藝參數見表2。

排氣管有限元模型網格劃分方案如圖3所示，使用軟件內置網格劃分方法，多次網格劃分迭代后獲得計算效率和計算精度的平衡，最終確定2 mm 正六面體單元網格，共劃分網格542 380個，節點714 181個，共193層。將GH4169高溫合金材料固有應變等關鍵數據導入軟件，固有應變值如表3所示。模擬工序依次為激光選區熔化成形、后處理（熱處理、線切割），熱處理制度見第1節。

無約束下SLM成形工序完成后等效應力云圖、形變量云圖見圖4、圖5?？梢缘弥?，成形后零件本體的應力水平大約為800 MPa，支撐的應力水平更高，可達1000 MPa。零件變形不均勻，整體變形量2 mm以上，局部形變量可達4 mm，占比較高。零件整體處于較高的應力水平，殘余應力較大，后續工序存在較大的應力變形風險。

無約束下后處理完成后的等效應力云圖、形變量云圖見圖6、圖7。分析可知，經后處理的熱處理、線切割兩工序后零件本體的應力水平降至50 MPa，SLM成形造成的殘余應力已基本消除，支撐的應力也得到相當水平的釋放，但依舊比零件本體略高200 MPa。因應力的釋放，零件的變形量也較SLM成形工序更高，零件依舊變形不均勻，整體形變量3.5 mm以上，局部形變量可達9 mm，大形變區域的占比進一步擴大。零件經后處理應力基本得到釋放，但零件變形也進一步擴大。

綜上所述，SLM成形使得無約束下的排氣管零件獲得高的殘余應力，較高的形變量，整體形變量2 mm以上，局部形變量可達4 mm;后處理使得殘余應力釋放，而變形進一步增大，整體形變量3.5 mm以上，局部形變量可達9 mm，最終零件處在一個大形變的狀態。但此時較難滿足排氣管零件的使用要求，還需進行一定的變形控制。

2.2 晶格約束下的排氣管零件數值模擬

SLM成形工藝的逐層熔化再凝固過程極為快速，使得成形零件具有較高的應力水平。而排氣管零件屬于徑厚比極大的大尺寸薄壁件，零件本體剛度低，抵抗變形能力弱。正如無約束下數值模擬結果所示，排氣管零件產生了相當大的變形?？紤]從提高排氣管增材制造生產過程的剛度著手，引入具有高比強度、高比剛度的晶格結構作為控形輔助結構。

經多輪模擬與迭代優化，確定了圖8所示的晶格工藝方案。晶格結構設計思路（圖9）如下：在零件外表面設計生成一圈約60 mm厚的輔助實體（考慮后續生成的晶格結構的自支撐成形性，保證最小厚度約為60 mm即可），輔助實體與零件接觸距離為0，輔助實體將零件包圍并使零件懸空5～10 mm。使用UG軟件中的創建晶格功能，選中輔助實體，設置參數（單元格類型為QuadDiametral，桿徑1.3 mm，桿長19 mm）后即可生成晶格（若電腦性能不足以生成此規模的晶格，可以將輔助實體盡量對稱分割為多段），晶格結構底部直接與基板接觸。

晶格約束下的排氣管支撐方案與無約束下的排氣管支撐方案相同，見圖2。晶格結構環繞在零件外側壁，與零件外側壁保持接觸，零件與晶格結構的空間位置關系如圖10a所示。零件與晶格結構及支撐方案的空間位置如圖10b所示，晶格結構與支撐存在交叉。

晶格約束下的排氣管有限元模型網格劃分如圖11所示，網格劃分精度與無約束下的排氣管有限元模型網格劃分精度保持一致，仍為2 mm 正六面體單元網格。共劃分網格2 576 911個，節點4 752 853個，共298層。數值模擬工序為SLM成形。

晶格約束下SLM成形工序完成后等效應力云圖、形變量云圖見圖12、圖13。觀察可知，零件本體的應力水平約為600 MPa，晶格結構應力水平與零件相當。零件整體變形量在1 mm左右，變形較為均勻，少量區域變形量在2.2 mm以下。

與無約束下數值模擬結果對比分析可知，晶格結構提高零件剛度，降低了零件殘余應力水平，下降值約200 MPa，同時應力分布均勻性改善。晶格提高了零件抗變形能力，模擬結果顯示變形量在1 mm左右，變形問題得到較大改善。

綜上所述，相對于無約束下的排氣管零件的模擬結果，增加晶格結構可有效控制大尺寸薄壁結構零件排氣管的變形。

3 成形試驗

實驗設備使用國產激光選區熔化成形設備E-Plus M650，最大成形成形尺寸為650 mm×650 mm×800 mm（含基板），激光功率4×500 W，激光波長為1060 nm～1090 nm，成形艙保護氣體為99.99%氬氣。成形粉末材料為國產GH4169 高溫合金粉末，粉末化學成分見表1，粒徑為15～53 μm。基板為GH4169 高溫合金，厚度80 mm。外形尺寸檢測設備為16M XL型藍光三維掃描儀。

試驗方案：激光選區熔化成形—清粉—熱處理—線切割—去支撐打磨—噴砂—三維掃描。

成形工藝參數見表2，晶格工藝參數見表4，采用四激光模式打印，填充模型均勻地置于四激光區域，如圖14所示，以確保最大的打印效率。

排氣管零件激光選區熔化成形后可以觀察到晶格結構完整，見圖15。

排氣管零件在經激光選區熔化成形、清粉、熱處理、線切割、去支撐打磨、噴砂等工序后得到實物，如圖16所示。

使用藍光三維掃描儀對排氣管零件進行外形尺寸檢測，三維掃描云圖見圖17。觀察可知，排氣管零件整體形變量（1±0.5）mm左右，最大形變量不超過（2.5±1.25）mm，變形不均勻性相對較好。零件外表面中滿足輪廓度±0.6 mm以內要求的面積與外表面整體面積的百分比約為80%左右，符合零件使用要求。

綜上所述，試驗排氣管表面外形尺寸檢測結果與數值模擬結果吻合，晶格結構成功地將排氣管的整體形變量控制在要求的區間內。進一步表明，晶格結構是激光選區熔化成形大尺寸薄壁件變形控制的有效技術手段之一。

4 結論

（1）無約束下的排氣管零件在激光選區熔化成形后具有較高的殘余應力，存在較大變形，整體形變量可達2 mm；后處理使得零件殘余應力釋放，而形變則進一步擴大，整體形變量增至3.5 mm，變形極為不均勻，最大形變量高達9 mm。

（2）設計了一種晶格結構工藝方案用以減小排氣管零件的變形。經多輪模擬與迭代優化，確定晶格工藝方案為：QuadDiametral類型單元格，桿徑1.3 mm，桿長19 mm，晶格區域寬度約60 mm。數值模擬顯示晶格約束下的排氣管零件整體形變量約1 mm，最大形變量約2.2 mm。

（3）晶格約束下的排氣管零件成形試驗結果與數值模擬結果吻合，三維云圖結果顯示零件整體形變量在1 mm左右，最大形變量不超過2.5 mm，滿足零件技術協議中外形尺寸的要求。

（4）排氣管零件為典型的大尺寸薄壁件，進一步可以推斷，晶格結構是激光選區熔化成形大尺寸薄壁件變形控制的有效技術手段之一。

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（編輯 王旻玥）

作者簡介：

張 珞，男，1991年生，高級工程師、博士。主要研究方向為金屬增材制造。

劉明明（通信作者），男，1995年生，助理工程師。主要研究方向為航空航天領域金屬增材制造工藝。E-mail：1292054132@qq.com 。

收稿日期：2023-10-12