張喬石, 陳向東, 袁自鈞, 程 萍

(合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院,安徽 合肥 230009)

選擇性激光熔化中鋪粉層厚的影響

張喬石, 陳向東, 袁自鈞, 程 萍

(合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院,安徽 合肥 230009)

選擇性激光熔化(selective laser melting,SLM)技術(shù)可以直接成形高性能金屬零件,是最具應(yīng)用前景的快速成形技術(shù)之一。文章以316不銹鋼粉末為試驗(yàn)材料進(jìn)行20 mm×20 mm×20 mm正方體方塊的制作,討論了鋪粉層厚對(duì)制件性能的影響規(guī)律;并通過試驗(yàn),確定最佳的加工參數(shù),制得了致密度為99.9%、拉伸強(qiáng)度達(dá)1 038.8 MPa的制件。該文對(duì)SLM成形高質(zhì)量零件具有一定的指導(dǎo)意義。

選擇性激光熔化(SLM);快速成形;不銹鋼;鋪粉層厚

0 引 言

選擇性激光熔化(selective laser melting,SLM)[1-3]是3D打印技術(shù)的一種,也叫作選區(qū)激光熔化技術(shù),選擇性主要體現(xiàn)在選擇在特定的平面范圍內(nèi)進(jìn)行激光加工。該技術(shù)是一種新型的激光快速成形技術(shù),基于分層制造、疊加成形的原理,能使金屬粉末材料快速成形為所需結(jié)構(gòu)的金屬零件,能夠獲得致密度近乎100%且力學(xué)性能與鍛造的金屬制件相當(dāng)?shù)牧慵4-6]。SLM技術(shù)能夠成形任意復(fù)雜度的幾何形狀零件,因此在成形具有復(fù)雜曲面的零件上具有很大優(yōu)勢[7-8],如定制義齒、個(gè)性化醫(yī)學(xué)植入體、模具的直接制造等。Meier和Haberland[9]研究了各工藝參數(shù)(如激光功率、掃描速率等因素)對(duì)316L不銹鋼制件成形致密度的影響機(jī)制,發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用激光功率為90 W時(shí),能夠獲得致密度達(dá)99%的制件。文獻(xiàn)[10]使用固定的激光功率和層厚,通過對(duì)激光掃描速度與掃描間隔的優(yōu)化,獲得了致密度為99.8%的Ti-6Al-4V合金制件與致密度為99.9%致密的Co-Cr-Mo合金制件。

但是,已有的SLM研究主要集中在激光功率、掃描速度、掃描方式等方面,而對(duì)于成形過程中鋪粉層厚的研究還不多。本文從理論上分析了鋪粉層厚設(shè)置的原則性,討論其內(nèi)在機(jī)理及原因,并且進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,對(duì)SLM成形高質(zhì)量零件具有一定的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)設(shè)備、材料與方法

1.1 試驗(yàn)原理與設(shè)備

SLM原理為:先由三維造型軟件設(shè)計(jì)出零件的模型,并且保存為STL格式;再通過切片軟件對(duì)其進(jìn)行切片分層、添加支撐等操作,得到各個(gè)截面的輪廓數(shù)據(jù);根據(jù)由輪廓數(shù)據(jù)生成的相應(yīng)填充路徑,應(yīng)用專用的填充軟件設(shè)定與填充相關(guān)的試驗(yàn)參數(shù)(如掃描間隔、掃描方式等),并且進(jìn)行填充;設(shè)備按照這些填充掃描線,控制激光束對(duì)金屬粉末進(jìn)行選擇性激光熔化,分層疊加堆積成金屬零件。

試驗(yàn)設(shè)備采用合肥工業(yè)大學(xué)與合肥中加激光技術(shù)有限公司聯(lián)合開發(fā)的SLM快速成形設(shè)備,主要由激光器、激光掃描振鏡、工業(yè)計(jì)算機(jī)、氣體循環(huán)裝置以及運(yùn)動(dòng)電機(jī)等部分組成,如圖1所示。設(shè)備采用波長為1 075 nm的SPI 400 W連續(xù)式激光器,最大成形尺寸為100 mm×100 mm×100 mm,激光掃描方式是振鏡掃描后f-θ透鏡聚焦,保護(hù)氣氛為氮?dú)饣驓鍤狻?/p>

圖1 選擇性激光熔化設(shè)備

1.2 試驗(yàn)選用材料

試驗(yàn)選用德國EOS生產(chǎn)的GP1型號(hào)的316不銹鋼粉末。該粉末中最大含碳量為0.07%,可用于耐腐蝕零件的制造,具有良好的耐海洋與耐腐蝕性工業(yè)氣體侵蝕功能。316L不銹鋼粉末的化學(xué)成分見表1所列,其粉末松裝密度值為0.6。

表1 316L不銹鋼粉末的化學(xué)成分

1.3 試驗(yàn)方法

本文試驗(yàn)采用不同的掃描層厚加工一個(gè)20 mm×20 mm×20 mm的正方體小塊,所使用的振鏡掃描方式如圖2所示。

圖2 掃描方式示意圖

在進(jìn)行選擇性激光熔化時(shí),先掃描1,4,7,…掃描線,再掃描2,5,8,…掃描線,最后掃描3,6,9,…掃描線,相鄰掃描線掃描方向相反,相鄰層掃描線相位差為90°。

2 試驗(yàn)分析與結(jié)果

2.1 鋪粉層厚分析

在進(jìn)行選擇性激光熔化時(shí),當(dāng)一層粉末鋪粉完成之后,激光在所鋪粉末層上進(jìn)行加工,粉末在激光加工后形成的熔道高度并不是同粉末鋪粉厚度一樣。

激光加工成型情況示意圖如圖3所示。當(dāng)激光能量較低時(shí),粉末并沒有完全熔化,形成類似于燒結(jié)狀的結(jié)構(gòu),熔化道的高度高于鋪粉層厚,此時(shí)成形質(zhì)量較差,容易形成球化現(xiàn)象(見圖3中a處和b處)。這是由于粉末熔化后熔道與基底或者上一層熔道沒有完全潤濕,熔化道和基底或者上一層熔道粘連強(qiáng)度較低;當(dāng)鋪粉設(shè)備再次鋪粉時(shí),鋪粉刮刀就會(huì)與高出熔道的部分發(fā)生碰撞,從而進(jìn)一步降低成形質(zhì)量。當(dāng)激光質(zhì)量足夠滿足成形需要時(shí),熔化道會(huì)變寬、變平,與基底或者上一層熔道充分潤濕,粉末熔化后結(jié)合緊密,因此熔道高度低于鋪粉層厚度(見圖3中c處和d處)。此時(shí)粉末與基底或者上一層熔道結(jié)合緊密,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的下一層鋪粉以及加工則不會(huì)因上一層的成形質(zhì)量不好而影響后面層的成形。

圖3 激光加工成型情況示意圖

根據(jù)選擇性激光熔化設(shè)備的工作原理,其工作過程如圖4所示。其中,圖4a表示第n-1層鋪粉完的情形,圖4b表示第n-1層激光加工完之后的情形。

由圖4可知,為了得到致密度較高和成形質(zhì)量較好的制件,每層粉末熔化后的厚度應(yīng)該低于熔化前的鋪粉厚度。因?yàn)槌尚胃酌考庸ひ粚铀陆档暮穸仁且欢ǖ?而當(dāng)前層加工完之后上表面的高度會(huì)比加工前的高度低,所以下一層的實(shí)際鋪粉層厚將會(huì)是成形缸下降的厚度與當(dāng)前層因?yàn)榧庸み^后所坍縮的厚度之和,而粉末的鋪粉厚度會(huì)對(duì)制件的性能產(chǎn)生影響,而且不同的層厚也對(duì)應(yīng)著不同的激光功率等參數(shù),因此需要對(duì)此進(jìn)行細(xì)致的討論。

圖4 選取激光熔化工作過程示意

設(shè)S為每層熔化面的橫截面積;ρ0為試驗(yàn)所使用的不銹鋼粉末的粉末松裝密度;ρ1為進(jìn)行選擇性激光熔化加工后凝固層的密度;ρ為試驗(yàn)所使用的不銹鋼粉末完全致密熔化后成形件的密度;T為成形缸每一層下降的距離,也就是模型在經(jīng)過切片軟件處理后的切片層厚;Hn-1為第n-1層熔化前粉末厚度與熔化后凝固層厚度的差值；Hn為第n層熔化前粉末厚度與熔化后凝固層厚度的差值;Dn為第n層的實(shí)際鋪粉厚度。根據(jù)質(zhì)量守恒定律,第n層融化前粉末質(zhì)量與熔化后熔化層質(zhì)量相等,可依此作出如下推導(dǎo)。

假設(shè)

(1)

(Hn-1+T)Sρ0=(Hn-1+T-Hn)Sρ1,

Hn=(Hn-1+T)K,

Hn=T(K+K2+K3+…+Kn-1+Kn),

(2)

而第n層的鋪粉厚度為T+Hn-1，則有：

(3)

因?yàn)?33 μm,T>19.5 μm。

2.2 試樣致密度

試驗(yàn)所采用的相關(guān)參數(shù)見表2所列，其中掃描方式是確定的。

表2 相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)

最后需要確定的是根據(jù)不同切片層厚進(jìn)行激光功率的選擇,需要單位體積的粉末能量輸入相同,則單位體積、單位時(shí)間內(nèi)的能量輸入為:

(4)

其中,P為激光器功率;t為激光作用時(shí)間;φ為與粉末對(duì)激光能量吸收能力相關(guān)的參數(shù);Dn為實(shí)際鋪粉厚度;S為熔化面的橫截面積。

根據(jù)本文試驗(yàn)材料Dn與T的關(guān)系對(duì)(4)式進(jìn)化化簡,可得:

W=3Pφ/(5ST)

(5)

因?yàn)橐ＷC單位體積粉末的單位時(shí)間能量輸入相同,而φ是粉末的固有屬性,對(duì)于同一種材料同一種激光光源可以視為不變,S在本文試驗(yàn)中也是不變的,所以可以得出選取的激光功率應(yīng)與切片層厚成正比。

試樣1～試樣6的致密度以及橫向金屬拉伸強(qiáng)度測試結(jié)果見表3所列,其中試樣1鋪粉層厚低于上述推導(dǎo)的理論最小值。在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),鋪粉刮刀在鋪粉過程中會(huì)與成形件1發(fā)生嚴(yán)重碰撞,使得成型不能順利完成。

表3 不同試樣的各項(xiàng)性能測試結(jié)果

由表3可知,在所選的試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi),試樣鋪粉層厚度為0.03 mm時(shí),試樣的致密度達(dá)到99.9%,并且拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值。當(dāng)成形缸每層下降的厚度選擇0.020 mm和0.025 mm(大于理論推導(dǎo)出來的最小值)時(shí),在實(shí)際鋪粉過程中,雖然粉末的平均粒徑在33 μm,但有很多粉末粒徑大于33 μm,因此在鋪粉過程中遇到這些較大顆粒的不銹鋼粉末時(shí),該層激光掃描加工后,會(huì)使較大顆粒熔化后的地方高于其他處,這些較高處進(jìn)行下一次鋪粉時(shí),會(huì)與鋪粉刮刀碰撞,造成鋪粉缺陷,從而使得成形不完善,得到的成形件致密度與拉伸強(qiáng)度相對(duì)較低;而當(dāng)成形缸每層下降為0.03 mm時(shí),實(shí)際每次鋪粉層厚已經(jīng)達(dá)到0.05 mm,而測得粒徑大于0.05 mm的粉末粒子幾乎沒有,即使偶爾出現(xiàn)極個(gè)別粒徑大于0.05 mm的粉末粒子,也會(huì)在隨即的下一層鋪粉中被修復(fù)彌補(bǔ);試樣6會(huì)出現(xiàn)試樣致密度與拉伸強(qiáng)度急劇下降的原因是鋪粉層過厚會(huì)使得激光不能完全熔化粉末層,從而導(dǎo)致成形致密度較低,形成一種類似于選擇性激光燒結(jié)的成形試樣,其各項(xiàng)力學(xué)性能均會(huì)受到很大影響。

2.3 試樣的微觀組織

試樣2與試樣4的成形致密度較高,其微觀組織形貌在幾組試驗(yàn)中比較具有代表性。試樣2和試樣4的微觀組織形貌如圖5所示。

圖5 試樣2和試樣4微觀組織形貌

由圖5可以看出,試樣2的表面有很多缺陷,這些缺陷是鋪粉刮刀與上層熔化層的碰撞所引起的,而試樣4幾乎沒有這樣的情況,因此,試樣2的致密度以及拉伸強(qiáng)度均低于試樣4。

3 結(jié) 論

(1) 本文通過對(duì)整個(gè)選擇性激光熔化系統(tǒng)工作過程的分析,從理論上推導(dǎo)出了實(shí)際鋪粉層厚最小值,并指出實(shí)際鋪粉層厚與切片層厚之間的差別,推導(dǎo)出Dn與T之間的關(guān)系式。

(2) 使用單層3次掃描與層間錯(cuò)開掃描策略,設(shè)定不同的鋪粉層厚,并選擇固定的激光功率與鋪粉層厚的比值來確定激光加工功率,驗(yàn)證鋪粉層厚的影響機(jī)制。

(3) 試驗(yàn)采用激光功率為198 W、振鏡掃描速度為0.3 m/s、掃描間隔為0.06 mm、切片層厚為0.03 mm的參數(shù),制得的成形件致密度為99.9%,拉伸強(qiáng)度達(dá)到1 038.8 MPa,成型效果良好。

[1] 楊永強(qiáng),王迪,吳偉輝.金屬零件選區(qū)激光熔化直接成型技術(shù)研究進(jìn)展[J].中國激光,2011,38(6):0601007-1-060700-11.

[2] ZHANG C Y，REN Y P，CHEN X S.The development situation of selective laser melting metal powder based on 3D printing[J].Applied Mechanics & Materials，2014，518:12-18.

[3] 史玉升，魯中良，章文獻(xiàn),等.選擇性激光熔化快速成形技術(shù)與裝備[J].中國表面工程，2006，19(增刊1):150-153.

[4] LU L，F(xiàn)UH J Y H，CHEN Z D，et al.In situ formation of TiC composite using selective laser melting[J].Materials Research Bulletin，2000，35(9):1555-1561.

[5] ABE F，SANTOS E C，KITAMURA Y，et al.Influence of forming conditions on the titanium model in rapid prototyping with the selective laser melting process[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part C: Journal of Mechanical Engineering Science,2003，217(1):119-126.

[6] KRUTH J P，F(xiàn)ROYEN L，VAN VAERENBERGH J，et al.Selective laser melting of iron-based powder[J].Journal of Materials Processing Technology，2004,149(1/2/3):616-622.

[7] SONG J L，LI Y T，DENG Q L，et al.Rapid prototyping manufacturing of silica sand petterns based on selective laser sintering[J].Journal of Materials Processing Technology，2007,187/188: 614-618.

[8] ZHU H H，F(xiàn)UH J Y H，LU L.The influence of powder apparent density on the density in direct laser-sintered metallic parts[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture，2007，47(2):294-298.

[9] MEIER H，HABERLAND C.Experimental studies on selective laser melting of metallic parts[J].Materialwissenschaft Und Werkstofftechnik，2010，39(9):665-670.

[10] VANDENBROUCKE B，KRUTH J P.Selective laser melting of biocompatible metals for rapid manufacturing of medical parts[J].Rapid prototyping Journal，2007,13(4):196-203.

Influenceofpowderlayerthicknessonselectivelasermelting

ZHANG Qiaoshi, CHEN Xiangdong, YUAN Zijun, CHENG Ping

(School of Electronic Science and Applied Physics， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China)

Selective laser melting(SLM)， one of rapid prototyping techniques with most possible application foreground， can fabricate high-performance metallic parts directly. Using 316L stainless steel powder as the experimental material， a 20 mm×20 mm×20 mm cube was fabricated to reveal the influence law of the powder layer thickness on the performance of the product. Through the experiment， a group of the best processing parameters were acquired, with which a product with 99.9% density and 1 038.8 MPa tensile strength was manufactured. It has guiding significance for improving the performance of the product made with SLM method.

selective laser melting(SLM); rapid prototyping; stainless steel; powder layer thickness

2016-01-28；

2016-04-25

合肥工業(yè)大學(xué)產(chǎn)學(xué)研校企合作資助項(xiàng)目(13-522)

張喬石(1991-)，男，安徽合肥人，合肥工業(yè)大學(xué)碩士生；

陳向東(1964-)，男，安徽合肥人，合肥工業(yè)大學(xué)副教授，碩士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.09.015

TG665

A

1003-5060(2017)09-1226-05

(責(zé)任編輯 胡亞敏)