掃描速度、離焦量和支撐設計對SLM的影響分析

林璠 上海電機學院 文理學院

引言

激光選區熔化成型（selective laser melting， SLM）是通過高能束激光的熱效應，使粉末選擇性焰化，實現三維復雜精密零部件的直接制造。由于粉末處于靜止狀態可起到輔助支撐作用，幾乎可以制造任意復雜形狀金屬零部件，是最近熱門的新型激光成型技術。

影響SLM成型效果的影響因素很多，本文選取了激光掃描速度、離焦量和支撐設計三個重要工藝參數。參考國內外學者發表的相關文獻，分析這些工藝參數對SLM成型件的致密度、力學性能、缺陷以及尺寸精度的影響。

1 激光掃描速度的影響

Zhang L C等人對生物醫用合金Ti24Nb4Zr8Sn的SLM成型開展了研究。結果表明，隨著掃描速度的降低，成型件的致密度和顯微維氏硬度不斷增大。Sun D S等人的研究表明隨著掃描速度的增加，D6AI4V粉末成形件的表面形貌發生了明顯的變化。清晰均勻的凝固表面變得雜亂無序， 成型件的拉伸性能也隨之降低。這些結果顯示掃描速度較小時，金屬粉末基本上會充分熔化，無明顯缺陷產生，而由于金屬材料良好的導熱性，熔池的溫度梯度也會相應較小，殘余應力較小。而若掃描速度過大，粉體材料的加熱時間就會減少，導致吸收熱量不足，可能導致部分材料熔化不充分甚至未熔化，制備出的材料的就會有缺陷。當內應力較大時，會在缺陷處形成應力集中，應力過大就會產生裂紋。

張曉剛等人研究發現SLM純銅成型件尺寸的絕對誤差隨掃描速率的增大而減小。掃描速率決定了激光束與粉體的接觸時間。低速掃描時激光光斑與材料粉末表面的接觸時間長，使得粉末顆粒吸收較多熱量并被熔化，形成足夠的液相并向周圍蔓延，熔池尺寸大，熔道較寬，尺寸誤差大。掃描速率增加后，激光束與金屬粉層表面的接觸時間縮短，粉體熔化后，液相尚未向四周蔓延就迅速冷卻凝固，導致熔池尺寸小，熔道較窄，尺寸誤差小。這說明在影響材料結構和力學性能的同時，掃描速度還會影響零件的誤差。

2 離焦量

錢雪立也分析了離焦量對SLM成型鎳基合金結構的單道成形質量的影響。實驗設定的離焦量從-3mm到+3mm，研究其對探究熔道尺寸的影響。當離焦量為負值時，基體上有少量已熔化的合金粉末。當離焦量由負轉正后，熔道成型效果也相應轉好，當離焦量為0 時，成型效果最佳。

Rashid等人研究了離焦量對于A1SH2粉末 SLM成形件表面質量的影響，得到了不同的結果。在-7mm至+4mm的范圍內，綜合表面粗糙度、維氏硬度以及表面孔隙率等三個參數，當離焦量等于-3mm時，成型件的表面質量最好。Gao等人研究了 SLM成形Ti40Al9V0.5Y合金時離焦量對單道成形質量的影響。隨著離焦量由0增至2.3mm和3.4mm，單道熔道的寬度隨之增加，深度逐漸減少；由于激光體能量密度的降低，熔道中出現裂縫的可能性也隨之增大。這些實驗結果表明不同材料其對應的最佳離焦量值并不相同，要綜合多因素考量。

3 支撐設計

支撐設計可以保證加工過程的穩定性和零件的精確定位，其功能可等同于傳統機械加工中的裝夾工具，同時也可提高零件成型精度，防止零件產生翹曲變形。支撐按照形狀一般分為諸多類型，不同類型的支撐對成型精度有不同的影響。操作過程中應按照形狀選用不同的支撐類型。

那么在操作過程中支撐密度是不是越大越好呢？楊雄文等人的實驗結果表明對用于適圓形懸垂面的塊網格支撐而言：在進行支撐添加時，要注意支撐添加的密度，太大或太小都不恰當。支撐添加的太密，支撐強度過高，去除支撐的難度會加大，容易損傷成型件下表面質量，使零件尺寸有偏差。而支撐密度不足，在支撐起不到定位支撐的作用，會影響到成型件的精度，容易導致零件翹曲甚至在加過過程中被拉斷。所以，合理的支撐密度，才能保證零件的精度。

4 總結

SLM通過高能束激光的熱效應，使粉末選擇性焰化，可以直接制造復雜的精密零件，可廣泛應用于多個領域。本文選取了激光掃描速度、離焦量和支撐設計三個重要工藝參數。參考國內外學者發表的相關文獻，分析這些工藝參數對SLM成型件的影響。根據實驗結果的分析，得到的結論是（1）激光掃描的速度在影響材料結構和力學性能的同時，還會影響零件的誤差；（2）從各個實驗組的結果看，最佳離焦量值依材料而定，不會偏離0值太多；（3）合理的支撐設計和密度，才能保證零件的精度。