許 寧, 田虎成, 張 俊, 袁自鈞,2, 陳向東,2

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 智能制造技術(shù)研究院,安徽 合肥 230009; 2.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 230601)

增材制造(additive manufacturing, AM)是20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的制造技術(shù),被認(rèn)為是現(xiàn)代制造技術(shù)的重大創(chuàng)新。該技術(shù)是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ),采用材料逐層累加的方法來制造零件,是一種“自下而上”的制造方法[1-3]。選擇性激光熔化(selective laser melting, SLM)是增材制造領(lǐng)域中最具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)之一,該技術(shù)利用高功率密度激光束完全熔化金屬粉末,能得到致密度近乎100%、具有一定尺寸精度和表面粗糙度的金屬制件[4-5]。

在SLM領(lǐng)域中,有關(guān)工藝參數(shù)的研究主要集中在模型建立以及理論計算、工藝參數(shù)對工件成型質(zhì)量和工件性能等方面。文獻(xiàn)[6]建立了有限元模型,進(jìn)而計算出了激光和粉末相互作用區(qū)的溫度分布和熔池形貌,并根據(jù)掃描速度、粉末層厚、粉末性能等工藝參數(shù)對打印過程的穩(wěn)定性進(jìn)行估計;文獻(xiàn)[7]采用正交試驗方法對316L不銹鋼粉末的SLM成形工藝進(jìn)行優(yōu)化,制造出了復(fù)雜曲面和網(wǎng)格零件;文獻(xiàn)[8]設(shè)計了六因素五水平的正交試驗,據(jù)此綜合分析表面形貌、樣品密度與尺寸精度等影響因素,得到了優(yōu)化后的工藝參數(shù)。上述研究均是通過控制系統(tǒng)調(diào)整工藝參數(shù),而通過分區(qū)域控制工藝參數(shù)來提高制件成型質(zhì)量方面的研究則相對較少。當(dāng)制件的同層中含有面積相差較大的多個加工區(qū)域時,能量高度集中的移動熱源持續(xù)作用于金屬粉末層會使較小區(qū)域的表面溫度迅速上升,易出現(xiàn)過燒、塌陷等現(xiàn)象,從而嚴(yán)重影響制件的成型質(zhì)量,因此不同面積的加工區(qū)域需要不同的工藝參數(shù),而SLM成型系統(tǒng)主要是通過計算機控制系統(tǒng)完成激光功率和掃描速度設(shè)置的,無法對同一層的大面積區(qū)域和小面積區(qū)域分別設(shè)置不同激光功率和掃描速度。針對上述問題,本文介紹了一種新的SLM加工文件格式,將工藝參數(shù)(激光功率和掃描速度)固化于加工文件中,實現(xiàn)分區(qū)域控制SLM的工藝參數(shù),從而改善成型工件質(zhì)量。

1 問題分析

SLM技術(shù)是利用三維建模軟件設(shè)計出零件的三維實體模型,通過專用的分層切片軟件將三維模型按某一取向(一般為Z方向)進(jìn)行離散化以得到各截面的輪廓數(shù)據(jù),再將這些輪廓數(shù)據(jù)按一定規(guī)則生成填充掃描路徑并保存成文件,最后計算機逐層讀入掃描路徑信息文件,控制掃描振鏡的偏轉(zhuǎn)來實現(xiàn)激光束按照規(guī)劃的路徑進(jìn)行掃描,從而實現(xiàn)控制激光功率和掃描速度以保障加工零件的成型質(zhì)量和性能。

SLM技術(shù)采用具有高功率密度的激光器,以光斑直徑很小的激光束加工出任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精細(xì)制件,具體的人形工件如圖1所示。圖1b中包含多個不同面積的填充區(qū)域。

圖1 人形工件

在SLM成型過程中,計算機控制每一層激光功率和掃描速度,也就是說同一層的所有填充區(qū)域的激光功率和掃描速度是無法分別控制的。由于圖1b中的加工區(qū)域面積相差較大,如果采用相同激光功率和掃描速度持續(xù)加工,那么同一層中面積較大的區(qū)域成型質(zhì)量較好,而較小面積填充區(qū)域可能會出現(xiàn)過燒、塌陷等問題,隨著打印層數(shù)的增加,熱積累效應(yīng)越來越明顯,局部區(qū)域的成型質(zhì)量會越來越差,最終導(dǎo)致整個工件嚴(yán)重變形甚至無法繼續(xù)打印。

SLM的加工流程如圖2所示,圖2a為一般的SLM加工過程,工藝參數(shù)由計算機控制系統(tǒng)設(shè)定,無法有效地改善上述提出的成型質(zhì)量問題,因此本文提出了一種新的解決方法，即在規(guī)劃完掃描路徑生成的CLI(common layer interface)文件中添加工藝參數(shù);圖2b為最終生成加工文件即CLI+文件。在SLM成型過程中,影響選擇性激光熔融成型效果的因素主要有激光功率、掃描速度、鋪粉層厚、掃描間距、掃描策略等,而激光功率對粉末熔化的影響相對較大,故應(yīng)優(yōu)先確定合適的激光功率,再調(diào)整掃描速度[9]。因此本文將激光功率和掃描速度2個工藝參數(shù)添加到CLI+文件中,從而實現(xiàn)分區(qū)控制SLM的工藝參數(shù)，提高制件成型質(zhì)量。

圖2 SLM加工流程

2 分區(qū)控制方法

本文采用C#語言進(jìn)行編程實現(xiàn)CLI+文件的生成,從而驗證了上述方法的有效性。首先,讀取將三維模型離散化后的輪廓數(shù)據(jù),識別每個加工層的所有加工區(qū)域的輪廓信息,然后根據(jù)每個加工區(qū)域的輪廓信息計算加工面積,最后依據(jù)加工面積設(shè)置激光功率和掃描速度,生成新的CLI+文件。

通過三角形面積公式的推導(dǎo),已知N邊形的頂點坐標(biāo)依次為(x0,y0),(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn),可得任意N邊形面積公式為:

(1)

根據(jù)(1)式計算第n層中的第i個多邊形面積,當(dāng)多邊形面積小于設(shè)定的面積閾值M時,則根據(jù)Pi=F(Si)計算對應(yīng)的功率；為了確保金屬粉末始終處于熔化狀態(tài),將計算出的功率與設(shè)定的最小加工功率Pmin進(jìn)行比較,若Pi

圖3 程序流程

2.1 CLI文件

CLI文件是一種層片切口文件,采用層(layer)、多義線(polyline)、填充線(hatches)等來描述數(shù)據(jù)模型[10]。CLI文件有ASCII碼和二進(jìn)制2種文件格式,結(jié)構(gòu)上由頭文件HEADER和幾何體數(shù)據(jù)GEOMETRY等構(gòu)成。下面是一個二進(jìn)制格式的CLI文件內(nèi)容。

頭文件(HEADER):(ASCII格式)

＄＄HEADERSTART//表示文件頭開始//

＄＄ASCII//表示數(shù)據(jù)為 ASCII 格式//

＄＄UNITS/0.005//當(dāng)量為 0.005 mm,即所有的坐標(biāo)都要乘上此值才是實際坐標(biāo)//

＄＄DATE/180118//文件日期 2018 年 1 月 18 日//

?

＄＄LAYERS/500//層數(shù) 500 表示數(shù)量//

＄＄HEADEREND//表示文件頭結(jié)束//

幾何體(GEOMETRY):(二進(jìn)制)

CI 取 127、128 表示層數(shù)據(jù)(layer),后面接著的是層的上表面的z坐標(biāo);

CI 取 129、130 表示輪廓線數(shù)據(jù)(polyline),語法形式為:CI,id,dir,n,p1x,p1y,…,pnx,pny;

CI取 130、131 表示填充線數(shù)據(jù)(hatches),語法形式為:CI,id,n,p1sx,p1sy,…,pnex,pney.

其中,CI即 Command Index;id為模型編號;dir描述折線的方向(以z軸的負(fù)向觀看),有3個取值：0、1、2,其中0表示折線為順時針,折線為內(nèi)部輪廓;1 表示逆時針,折線為外部輪廓;2 表示開放折線,表示輪廓不是實體輪廓;n表示共頂點的個數(shù);p1x、p1y表示第1個頂點的坐標(biāo)參數(shù),pnx、pny表示第n個頂點的坐標(biāo)參數(shù);p1sx,p1sy,…,pnex,pney表示第1個到第n個填充線的起點和終點坐標(biāo)。

2.2 CLI+文件

在CLI文件格式的基礎(chǔ)上,添加激光功率P(W)和掃描速度v(cm/s)的文件,本文稱之為CLI+文件。為了避免功率和速度數(shù)據(jù)與CLI文件輪廓線和填充線數(shù)據(jù)發(fā)生混亂,本文以層為單位,在一層中的某一個輪廓線的數(shù)據(jù)后添加該輪廓線的激光功率和掃描速度,依次類推直到將所有輪廓線的數(shù)據(jù)都添加了工藝參數(shù)。同理可將一層中某一個輪廓線的所有填充線數(shù)據(jù)后添加該填充線的激光功率和掃描速度。

CLI+文件的頭文件保持不變,與CLI文件一樣,在幾何體數(shù)據(jù)GEOMETRY中添加了以下2個參數(shù),具體格式如下:

幾何體(GEOMETRY):(二進(jìn)制)

CI 取 127、128 表示層數(shù)據(jù)(layer),后面接著的是層的上表面的z坐標(biāo)；

CI 取 129、130 表示輪廓線數(shù)據(jù)(polyline),語法形式為:CI,id,dir,n,p1x,p1y,…,pnx,pny,P,v；

CI取 130、131 表示填充線數(shù)據(jù)(Hatches),語法形式為:CI,id,n,p1sx,p1sy,…,pnex,pney,P,v.

其中,P、v為輪廓線/填充線的激光功率和掃描速度,其余參數(shù)和原CLI文件中的相同。

3 實驗驗證

本實驗設(shè)備是合肥工業(yè)大學(xué)三維打印與激光再制造技術(shù)研究中心自主研發(fā)的金屬材料SLM三維打印機,實驗材料采用316不銹鋼粉末,基板是尺寸為50 mm×50 mm×10 mm的不銹鋼板。金屬粉末在完全熔化的過程中會與氧氣接觸發(fā)生氧化反應(yīng)[11],因此實驗開始前在成形室內(nèi)抽取空氣和通入氮氣,直到成形室內(nèi)的含氧量下降至0.1%,方可進(jìn)行實驗。

實驗?zāi)Ｐ陀沙叽鐬?0 mm×10 mm×6 mm和3 mm×3 mm×6 mm的2個長方體組成。實驗分為2組：第1組使用傳統(tǒng)的CLI文件；第2組使用添加了工藝參數(shù)的CLI+文件。2種實驗的加工參數(shù)見表1所列。

表1 2組實驗的加工參數(shù)

采用CLI文件加工至200層的工件如圖4所示,從圖4可以看出右邊的小長方體顏色發(fā)黑,失去了金屬光澤,而左邊的大長方體成型質(zhì)量較好,因此用表1的工藝參數(shù)僅適合加工較大面積的工件,若需要同時加工面積較小的工件,則需要分區(qū)控制工藝參數(shù),從而可以保證所有加工區(qū)域成型質(zhì)量都很好。

圖4 CLI文件加工工件

采用添加了激光功率和掃描速度的CLI+文件加工出的工件如圖5所示。

圖5 CLI+文件加工工件

圖5中2個尺寸不同的長方體的成型質(zhì)量較好,右邊的小長方體明顯比圖4中的小長方體色澤更好,其激光功率為72 W、掃描速度為40 cm/s；左邊的大長方體的激光功率仍然保持120 W不變,且掃描速度為30 cm/s,通過判斷加工區(qū)域的面積,給2個尺寸不同的工件添加了不同的激光功率和掃描速度,從而生成了帶有工藝參數(shù)的CLI+文件,上述實驗驗證了CLI+文件的可行性,證明了該方法能夠有效地提高金屬制件的成型質(zhì)量。

4 結(jié) 論

為了解決同層不同面積加工區(qū)域成型質(zhì)量差的問題,本文介紹了一種可以添加激光功率和掃描速度參數(shù)的CLI+文件格式。該方法通過計算任意多邊形面積的算法計算出每層的加工區(qū)域面積,根據(jù)面積設(shè)置相應(yīng)的激光功率和掃描速度,實現(xiàn)同層數(shù)據(jù)分區(qū)域控制,最終生成新的加工文件。經(jīng)實驗對比結(jié)果得出,該方法可有效改善選擇性激光熔化制件的成型質(zhì)量。