工艺参数对选区激光熔化中成形形变的影响

吴懋亮; 孙翰霆; 孙玄锴; 刘中俊; 李汝润

doi:doi:10.3788/LOP57.051403

激光与光电子学进展, 2020, 57 (5): 051403, 网络出版: 2020-03-05

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Effect of Process Parameters on the Deformation of Selective Laser Melting

论文大纲

吴懋亮 ^*孙翰霆孙玄锴刘中俊李汝润

作者单位

上海电力大学能源与机械工程学院, 上海 200090

激光光学选区激光熔化热力场倾角形变 laser optics selective laser melting thermodynamic field angle deformation

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摘要

对采用选区激光熔化(SLM)技术打印316L不锈钢进行数值模拟,并研究了零件在水平面内的摆放角度和竖直面内的倾斜角度对SLM过程热力行为的影响。研究结果表明:对尺寸为50 mm×5 mm×10 mm的长条形加工零件采用短直线的扫描策略,在零件摆放的水平面内,当长边与刮刀之间的夹角为45°时,由热应力产生的形变量最小;在竖直面内,零件与垂直方向的夹角为15°时产生的形变量最小;零件在基板上和取下后的形变量会产生较大的差异,取下后形变量将增大70%左右。

Abstract

Numerical simulations on 316L stainless steel is conducted using selective laser melting (SLM) technology,and the effects of the placement angle of the printed parts in the horizontal plane and the inclination angle in the vertical plane on the thermal behavior of the SLM process are investigated. By adopting the short straight-line scanning strategy, the research results show that for a bar with dimensions of 50 mm × 5 mm × 10 mm, when the angle between the longer side of the bar and the scraper is 45°, the deformation generated by thermal stress is the smallest. In the vertical plane, the corresponding deformation generated when the angle between the bar and the vertical direction is 15° is the smallest as well. The deformations on the substrate prior and subsequent to the removal exist a considerable difference, which amounted to approximately 70%.

1 引言

选区激光熔化(SLM)技术是一种新兴的金属零件直接成形技术,采用SLM加工时,根据导入的路径信息控制激光器的振镜系统,使激光有选择性地扫描铺粉层,从而熔化凝固金属粉末,得到零件的一个截面层。重复上述过程,零件的截面层逐渐累积直至形成整个零件。近年来SLM技术已经被广泛应用于航空航天、汽车及生物医疗等领域,为工业产品的研发、设计与制造提供了新的思路^[1]。与传统制造技术相比,采用SLM技术加工的零件具有结构复杂、材料利用率高和短周期^[2]等优势。

SLM过程中大多采用单光纤激光器或者多路光纤激光器,成形材料范围广泛(单一金属粉末、复合粉末、高熔点难熔合金粉末等),成形过程中金属粉末能达到完全熔化形成冶金结合,理论上可以制得任意形状的致密度达到99.999%、精度达到0.05%的金属成形件^[3-4]。但是由于成形过程中激光束的功率密度很高,扫描速度较快,金属粉末在极短时间内经历了固—液—固状态的转变,导致成形过程中零件各部分温度分布不均匀、温度梯度大,从而产生巨大的热应力,在成形件中产生的残余应力甚至能导致成形件翘曲变形。因此,对SLM的成形过程进行数值模拟,可以揭示其热力场的分布规律,这对不同形状的复杂零件选择合适的工艺参数和适宜的材料特性,提高零件成形的成功率,增强成形件力学特性,降低打印成本具有重要的意义。

本文采用316L不锈钢材料,对零件在基板上的不同放置角度的SLM成形零件的热力场进行研究分析。同时,通过对SLM成形过程的三维瞬态热力场的分布变化进行数值模拟,研究了在水平方向上打印物体与刮刀倾角,以及在竖直方向上打印物体与基板的倾斜角度对SLM过程热力行为的影响。

2 模拟与结果分析

2.1 热力场模拟

该模拟模式是通过预测热循环如何影响零件内每一层的应变积累来估算最高精度。采用热棘轮效应衍生出的热棘轮算法^[5]进行模拟,计算时将应力分解为初级应力和次级应力两部分。初级应力可以理解为稳定不变的应力,随着过程形变逐渐增加,作用在零件上的初级应力为常数,而次级应力在这个过程中循环变化。首先在熔池凝固时为零件成形的各个位置分配初级应变,每当零件在当前层被加热到高于温度阈值(打印材料绝对熔化温度的40%)时,该层就会发生应变累积。一旦当前层重新熔化,应变将被重置为初级应变。温度加热到阈值以上而不熔化的次数越多,应变累积就越高。当前层位置的温度通过ANSYS软件中的温度场“生死单元法”模拟得出。过程温度控制方程、高斯热源模型、边界条件、初始条件和相变潜热的方程^[6]可表示为

\begin{matrix} \begin{matrix} ρc \frac{\partial T}{\partial t} = \frac{\partial}{\partial x} (k \frac{\partial T}{\partial x}) + \frac{\partial}{\partial y} (k \frac{\partial T}{\partial y}) + \frac{\partial}{\partial z} (k \frac{\partial T}{\partial z}) + Q, (1) \\ q = \frac{2 AP}{π r_{0}^{2}} \exp (- \frac{2 r^{2}}{r_{0}^{2}}), (2) \\ {T (x, y, z, t)|}_{t = 0} = T_{0}, (3) \\ q_{c} = α (T - T_{0}), (4) \\ q_{r} = σε (T^{4} - T_{0}^{4}), (5) \\ H = \int ρc (T) dT, (6) \end{matrix} \end{matrix}

式中:ρ为316L不锈钢粉末的密度;c为比热容;T为温度场的分布函数;t为激光扫描时间;Q为内热源;k为导热系数;P为激光功率;A为316L粉末对激光的吸收率,取为0.83;r₀为光斑半径;r表示粉床上任一点到光斑中心的距离;T₀为环境温度,选取为25 ℃;q_c为对流热量;q_r为热辐射;α为表面对流系数;σ为Boltzmann常数,ε为热辐射系数;σ=5.67×10^-8 W/(m²·K⁴);H为热焓。

使用热棘轮算法计算得出零件内每个位置的循环次级应变,根据弹塑性基本理论,假设材料的变形遵循von Mises准则和Prandtl-Reuss塑性流动准则,即

\begin{matrix} \begin{matrix} {\overset{\cdot}{ε}}_{total} = {\overset{\cdot}{ε}}_{elastic} + {\overset{\cdot}{ε}}_{plastic} + {\overset{\cdot}{ε}}_{t h ermal}, (7) \\ \frac{1}{2} [(σ_{1} - σ_{2})^{2} + (σ_{2} - σ_{3})^{2} + (σ_{1} - σ_{3})^{2}] = {\bar{σ}}^{2}, (8) \\ σ_{0} = σ_{y} + K ε_{total}, (9) \end{matrix} \end{matrix}

式中: $\begin{matrix} {\overset{\cdot}{ε}}_{total} \end{matrix}$ 为次级应力;σ₁、σ₂、σ₃分别为3个方向上的主应力; $\begin{matrix} \bar{σ} \end{matrix}$ 为等效应力;σ_y为屈服极限;σ₀为总应力;K为材料硬化系数^[7]。对应变进行计算,即可得到局部应变量和局部扫描方向的各向异性应变。

2.2 材料参数与打印模拟参数

本次模拟的零件为50 mm×5 mm×10 mm的长条形零件,由于SLM打印所产生的翘曲形变主要集中在竖直方向,因此选取长条形零件进行模拟,以更加清晰地突显这一特征。所划分的网格单元边长为0.4 mm。在SLM打印机的切片填充软件中选取短直线型的激光扫描策略,每层扫描方向逆时针旋转30°。

根据实验结果以及相关文献,采用的加工参数及316L材料参数分别如表1和表2所示。

表 1. 加工参数

Table 1. Machining parameters

Layer thicknessL₁ /mm	Slicing stripewidth L₂ /μm	Hatch spacingL₃ /μm	Power P /W	Scanning speedv /(mm·s^-1)	Baseplatetemperature T /℃
0.04	8	200	295	860	60

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表 2. 材料参数

Table 2. Material parameters

Powderabsorptivity	Solidabsorptivity	Thermal expansioncoefficient α /K^-1	Elastic ratioE /GPa	Poissonratio	Material yieldstrength R /MPa
0.76	0.45	0.0000165	185	0.25	530

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对零件在水平和竖直方向上不同倾斜角度的打印方式进行模拟,零件的摆放方式如图1所示,其中在水平面内零件与刮刀运动方向之间的夹角为α,在竖直方向上零件与基板之间的夹角为β。在两个方向上各选取7个角度:0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°,进行7组共计49次模拟,得到零件从基板切除前、后两种状态下热应力产生的形变情况。零件未被切除状态下,z轴方向的最大形变量如表3所示。

图 1. 零件摆放方式。(a)水平方向;(b)竖直方向

Fig. 1. Placement of part. (a) Horizontal direction; (b) vertical direction

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表 3. 不同倾斜角度下的最大形变

Table 3. Maximum deformation at different angles

β /(°)	Maximum deformation /(10^-2 mm)
β /(°)	a=0°	a=15°	a=30°	a=45°	a=60°	a=75°	a=90°
0	2.3769	2.1660	2.1626	2.1606	2.1692	2.1687	2.1639
15	2.6802	2.1564	2.1557	2.1454	2.1544	2.1553	2.1503
30	2.8157	2.1752	2.1672	2.1670	2.1672	2.1688	2.1668
45	2.7225	2.1802	2.1672	2.1635	2.1638	2.1659	2.1636
60	2.2096	2.1843	2.1683	2.1601	2.1635	2.1632	2.1641
75	1.9515	2.1863	2.1683	2.1573	2.1636	2.1641	2.1642
90	1.5491	2.1803	2.1656	2.1613	2.1639	2.1639	2.1639

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由表3可知,当α=0°时,改变零件与基板之间的夹角,零件的最大形变值与其余6组相差较大并且变化趋势不相同,因此对该组数据进行单独分析。竖直方向上其余6组(α=15°、30°、45°、60°、75°、90°)摆放角度下零件的最大形变折线如图2所示。水平方向上7组(β=0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°)倾斜角度下零件的最大形变折线如图3所示。

图 2. 竖直方向上不同β的形变

Fig. 2. Deformation of different β at vertical direction

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图 3. 水平方向上不同α的形变

Fig. 3. Deformation of different α at horizontal direction

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由图2可知,在竖直方向上,随着倾角的增大,6组摆放角度下零件的最大形变呈现先减小再增大,最后缓慢减小的趋势。当零件与基板的倾角β=15°时,6组摆放角度下零件的最大形变都最小。此外,当水平方向上倾角α=45°时,零件的最大形变最小,为0.021454 mm。值得注意的是,倾角β在0°~ 30°范围内,零件与基板之间倾角的改变对零件形变的影响较大。然而,倾角β在30°~ 90°范围内,零件形变量的大小没有很大的差别,即在该范围内倾角对打印过程的形变量没有显著影响。主要原因是:当倾斜角较小时,成形过程中一部分热量沿着竖直方向扩散,还有一部分会沿着水平方向扩散,这样就会增加一个横向应力^[8]。此外,在竖直方向上,当前层打印时的热量绝大部分是通过已经成形的部分零件进行传递,该部分零件为实体固体零件;在水平方向上,当前层是通过与周边接触的金属316L粉末进行热量传递,然而粉末的热传导效果相对较差,随着在竖直方向上倾角的逐渐增大,零件每层打印的水平面积逐渐减小,相对于30°~90°,0°~30°范围内面积变化率较大,因此累积的热应力越大,即角度β在0°~30°时零件与基板之间倾角的改变对零件形变的影响较大,在30°~90°范围内对形变量的影响较小。同时,由于倾角较小的情况下积累了较多的热应力,应力一旦释放就容易导致轮廓边缘出现较大的形变,这也解释了模拟图中形变较大的位置在底部和顶部的边缘处,并且向内部延伸。

随着零件(在基板上)与刮刀之间的倾角α的改变,7组倾角下零件的最大形变如图3所示。零件最大形变的变化趋势与图2中改变倾角β的零件最大形变的变化趋势相似,即最大形变呈现先减小再增大,最后缓慢减小的变化趋势。当倾角α=45°时,零件产生的最大形变量最小。值得注意的是,当竖直方向上倾角β=15°时,零件的最大形变量最小,这与改变竖直方向倾角β时,水平方向倾角α=45°对应最小的零件最大形变相一致。此外,倾角在0°~ 45°范围内,倾角的大小与形变量有较大关系。这可能是因为当倾角为45°时,铺粉时刮刀与零件的接触面小^[9],减小了磕碰的概率并能将零件边缘铺粉相对更均匀,由于热应力多数集中在零件边缘^[10],因此边缘处出现最大形变量差异。

从表3可以清楚地看到,当α=0°、β=90°时,零件最大形变值最小,仅有0.0155 mm。零件在该角度下的模拟结果如图4所示,其中A面正对着刮刀,C面是顶面,B是侧面。然而,在此位置下C面上最大形变值虽然最小,但在A面上却产生了较大的形变。此外,A面不仅在零件表面上面积占比最大,而且其方向与刮刀的铺粉方向垂直,

图 4. α=0°、β=90°的热应力模拟结果

Fig. 4. Thermal stress simulation of α=0°,β=90°

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这可能会导致零件在竖直方向上与刮刀发生碰撞。当高温的金属与刮刀接触时会导致刮刀局部熔化变形,从而导致之后铺粉效果变差,最终打印失败。

在相同角度等工作参数下对零件切割前、后的形变量进行比较,从零件切割前与切割后的变形量中各选取49个数据,结果如图5所示。可以看出,两条折线的变化趋势基本相似,经过计算得出切割后的变形量比切割前的变形量大70%,这表明在零件切割过程中,零件与基板交界处的部分残余应力被释放出来,并累积在零件上,使其再一次产生形变,继而增大了翘曲的程度,同时降低了零件的屈服强度、疲劳强度和耐腐蚀性能^[11-12],严重时会直接导致零件的结构损坏。尤其对于复杂零件的打印,这部分应力的释放更容易导致零件产生明显变形,从而导致打印失败。目前,应力退火工艺虽然可以消除零件内部少量的残余应力,但高温加热会引起零件的显微组织结构发生变化^[13-14]。

图 5. 相同角度的切割前、后的形变

Fig. 5. Deformation before and after cutting with the same angle

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3 实验验证

采用易加三维EP-M250金属3D打印机进行实验,选取的工艺参数与仿真计算时相同,材料选取316L不锈钢粉末,根据模拟结果进行两组实验,一组实验的工艺参数为β=0°,α=0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°,另一组实验的工艺参数为α=45°,β=0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°,打印结果如图6所示。使用千分尺对零件进行形变测量,结果如表4和表5所示。

图 6. 两组实验的结果。(a) β=0°;(b) α=45°

Fig. 6. Experimental results of two groups. (a) β=0°; (b) α=45°

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表 4. β=0°时的最大形变

Table 4. Maximum deformation at β=0°

α /(°)	0	15	30	45	60	75	90
Deformation /(10^-2 mm)	5.038	5.036	5.034	5.019	5.024	5.025	5.026

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表 5. α=45°时的最大形变

Table 5. Maximum deformation at α=45°

β /(°)	0	15	30	45	60	75	90
Deformation /(10^-2 mm)	5.019	5.007	5.009	5.015	5.018	5.020	5.021

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由表4和表5的数据可知,实验结果的整体趋势与模拟结果相同,随着α从0°增大到90°,最大形变量先减小再增大,且在45°时最大形变量最小。同时随着竖直方向的倾角β从0°增大到90°,最大形变量先减小再增大,且在15°时最大形变量最小。然而从图6可以看到,当β=15°、30°时,所打印的零件出现了严重变形,为了防止刮刀被高温零件熔化破坏而导致铺粉效果较差影响其他零件的打印,因此终止了这两个零件的打印。这主要是因为在该打印参数时倾角较小,粉末支撑区域的范围较大,但粉末对零件打印部分的支撑能力较弱,热传导效率较低,因此在实际打印过程中产生了明显的形变,影响打印的进行。但经过测量,已打印出的该角度的部分形变却是最小的,因此可以考虑在打印参数β=15°、30°的条件下,增加部分支撑,以保证零件可以以最小的形变量成形。

4 结论

在竖直面内,零件与基板之间的倾角在0°~30°范围内对零件的变形量有着较大的影响,在15°时零件的最大形变量最小;在水平面内,零件与刮刀之间的倾角在45°时零件的最大形变量最小;在打印的零件与基板之间的倾角在30°以内时需要添加支撑;对基板上的零件进行切割,会使得零件的翘曲变形量增加70%左右,该过程的优化对打印结果有着积极的影响。本实验结果可为金属零件SLM打印和切割后处理方面的优化提供参考,以提高零件打印成功率。

参考文献

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1 引言

2 模拟与结果分析

2.1 热力场模拟

2.2 材料参数与打印模拟参数

表 1. 加工参数

Table 1. Machining parameters

表 2. 材料参数

Table 2. Material parameters

图 1. 零件摆放方式。(a)水平方向;(b)竖直方向

Fig. 1. Placement of part. (a) Horizontal direction; (b) vertical direction

表 3. 不同倾斜角度下的最大形变

Table 3. Maximum deformation at different angles

图 2. 竖直方向上不同β的形变

Fig. 2. Deformation of different β at vertical direction

图 3. 水平方向上不同α的形变

Fig. 3. Deformation of different α at horizontal direction

图 4. α=0°、β=90°的热应力模拟结果

Fig. 4. Thermal stress simulation of α=0°,β=90°

图 5. 相同角度的切割前、后的形变

Fig. 5. Deformation before and after cutting with the same angle

3 实验验证

图 6. 两组实验的结果。(a) β=0°;(b) α=45°

Fig. 6. Experimental results of two groups. (a) β=0°; (b) α=45°

表 4. β=0°时的最大形变

Table 4. Maximum deformation at β=0°

表 5. α=45°时的最大形变

Table 5. Maximum deformation at α=45°

4 结论

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1 引言

2 模拟与结果分析

2.1 热力场模拟

2.2 材料参数与打印模拟参数

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表 2. 材料参数

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图 1. 零件摆放方式。(a)水平方向;(b)竖直方向

Fig. 1. Placement of part. (a) Horizontal direction; (b) vertical direction

表 3. 不同倾斜角度下的最大形变

Table 3. Maximum deformation at different angles

图 2. 竖直方向上不同β的形变

Fig. 2. Deformation of different β at vertical direction

图 3. 水平方向上不同α的形变

Fig. 3. Deformation of different α at horizontal direction

图 4. α=0°、β=90°的热应力模拟结果

Fig. 4. Thermal stress simulation of α=0°,β=90°

图 5. 相同角度的切割前、后的形变

Fig. 5. Deformation before and after cutting with the same angle

3 实验验证

图 6. 两组实验的结果。(a) β=0°;(b) α=45°

Fig. 6. Experimental results of two groups. (a) β=0°; (b) α=45°

表 4. β=0°时的最大形变

Table 4. Maximum deformation at β=0°

表 5. α=45°时的最大形变

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