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干貨分享:3D打印不同精細(xì)輪廓與掃描策略的選擇 

2023-01-13 09:17
3D打印輪廓特征的精度決定了表面光潔度、工件疲勞行為以及后處理程度。盡管掃描策略對(duì)于3D產(chǎn)品質(zhì)量方面起著關(guān)鍵作用,但以數(shù)字方式研究掃描策略對(duì)熱歷史影響的研究較少,特別是根據(jù)所需的凈形狀選擇合適的掃描策略。德國(guó)弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所、法國(guó)ESI聯(lián)合研究了鎳基高溫合金Inconel 718的幾種掃描策略,以分析和確定最適合不同精細(xì)特征的3D打印工藝。

大多數(shù)預(yù)處理軟件解決方案都提供多種不同的掃描策略。在下圖中描繪了不同掃描策略的掃描路徑。

條紋掃描(線掃描)是一種簡(jiǎn)單的矢量排列方式。由于矢量長(zhǎng)度有限,這種掃描策略的優(yōu)點(diǎn)是在熔化過(guò)程中熱分布更均勻。(如下圖a)
曲折條紋掃描是條紋掃描的一種特殊形式。它是創(chuàng)建一個(gè)具有180°轉(zhuǎn)向的連續(xù)矢量,最大矢量長(zhǎng)度沒(méi)有限制。(如下圖a)
棋盤掃描(島形掃描),掃描層被分為若干成正方形區(qū)域。這種掃描策略旨在減少零件中由工藝引起的應(yīng)力。(如下圖b)

同心掃描是輪廓掃描的一種。這種策略對(duì)于非常小的掃描區(qū)域特別有利,例如,格子結(jié)構(gòu)。(如下圖c)
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本研究中,使用上面介紹的掃描策略構(gòu)建具有不同幾何形狀和結(jié)構(gòu)的樣品。形狀包括橢圓形、三角形、翼型和格子。這些部件的幾何尺寸列于表 1中。
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使用 D 50  = 30 μm 的Inconel 718 合金粉末,掃描參數(shù)如表 2。
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CLI 構(gòu)建文件被發(fā)送到 LPBF 機(jī)器,描述每個(gè)層的掃描路徑。在構(gòu)建期間,在線監(jiān)控器捕獲控制器信號(hào),以便除了在過(guò)程中捕獲的熱輻射之外,激光位置和狀態(tài)始終是已知的。

CLI文件也被提交給熱解算器以預(yù)測(cè)處理材料的質(zhì)量。下圖顯示了經(jīng)過(guò)處理以打印 2 mm寬橢圓的層的熔化區(qū)域。在模擬的一個(gè)階段完全熔化(溫度至少達(dá)到液相線)的計(jì)算單元的“熔化”值為 1。沒(méi)有經(jīng)過(guò)激光處理和/或根本沒(méi)有熔化的單元的值為 0 。首先使用曲折條紋掃描路徑處理,然后使用輪廓掃描最終確定橢圓周長(zhǎng)。由于曲折掃描和輪廓掃描之間的重疊很小,觀察到輪廓孔。
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對(duì)于 2 個(gè)不同大小的橢圓,實(shí)驗(yàn)獲得的頂面形態(tài)如下圖(頂行)所示。較小的橢圓是使用單個(gè)輪廓掃描構(gòu)建的,第二個(gè)橢圓是使用大塊區(qū)域中的曲折掃描和輪廓掃描構(gòu)建的。大塊顯示曲折結(jié)構(gòu),輪廓掃描的第一個(gè)和結(jié)束點(diǎn)由兩個(gè)橢圓左上區(qū)域的不規(guī)則性清楚地識(shí)別。

下圖的第2 行和第 3 行顯示了最后 40% 的糊狀區(qū)域凝固所需的數(shù)值預(yù)測(cè)時(shí)間。總凝固時(shí)間(隨著溫度從液相線下降計(jì)算到固相線)可以推斷為大約 1e6 K/s。基于 CLI 的結(jié)果主要受到輪廓掃描期間施加的熱能的影響,“沖刷”掉了曲折掃描產(chǎn)生的結(jié)構(gòu),從而導(dǎo)致與實(shí)驗(yàn)觀察到的結(jié)構(gòu)截然不同。
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基于 CLI 和基于 HDF5 的數(shù)值預(yù)測(cè)之間的這種差異首先歸因于模型簡(jiǎn)化、累積誤差,并且可能是由于凝固時(shí)間不適合按照建議評(píng)估表面形態(tài)?;?CFD 的高保真模型證實(shí)了基于 CLI 的結(jié)果觀察到的差異。使用從機(jī)器控制器捕獲的信號(hào)重復(fù)模擬,將 CLI 文件定義的預(yù)期掃描路徑替換為打印機(jī)實(shí)際執(zhí)行的操作。捕獲的數(shù)據(jù)通過(guò) HDF5 文件傳輸?shù)侥P汀Mㄟ^(guò)比較上圖的頂行和底行可以看出,數(shù)值預(yù)測(cè)的表面結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果非常吻合。

CLI 和 HDF5 掃描文件的區(qū)別如下圖所示,其中一系列圖像描繪了激光運(yùn)動(dòng),因?yàn)樗蛴×藥讉€(gè)不同大小的橢圓。深藍(lán)色(激光值=−30)表示尚未處理的區(qū)域。激光值為 0(淺藍(lán)色)表示激光在關(guān)閉時(shí)運(yùn)動(dòng)。激光值為 100 的紅線表示打開(kāi)時(shí)的激光路徑。CLI 文件僅定義紅線。
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可以看出,小橢圓(尺寸 < 1.5 mm)的輪廓掃描不是在一次連續(xù)運(yùn)動(dòng)中處理的。取而代之的是,輪廓掃描停止,激光在關(guān)閉時(shí)四處移動(dòng),然后在定位時(shí)最終打開(kāi),以便它可以繼續(xù)完成橢圓所需的急劇旋轉(zhuǎn)。此行為歸因于 skywriting 算法,該算法用于確保沿整個(gè)掃描矢量的掃描速度恒定。因此,控制器調(diào)整 CLI 掃描矢量,將其細(xì)分為允許激光在掃描矢量范圍之外加速和減速的部分。如果兩個(gè)連續(xù)掃描矢量之間的角度小于 30°,則會(huì)激活 Skywriting。這主要發(fā)生在小橢圓上,在大橢圓的情況下,多邊形線彼此之間更傾斜。然而,skywriting 的激活意味著沉積的熔液在橢圓形狀完成之前冷卻下來(lái),這解釋了 CLI 和 HDF5 掃描之間的差異以及相應(yīng)的數(shù)值結(jié)果。無(wú)需使用 skywriting 即可處理較大橢圓的輪廓,因此其行為與 CLI 掃描定義非常相似。

基于 CLI 文件的結(jié)果可以看作是理想化的結(jié)果,僅考慮打印所需橫截面的激光軌跡。另一方面,HDF5 文件通過(guò)影響激光開(kāi)/關(guān)時(shí)間的控制器行為補(bǔ)充了 CLI 文件信息。

因此,控制器執(zhí)行額外的跟蹤以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的鏡像運(yùn)動(dòng)序列。在這些額外的軌道中,激光被關(guān)閉,因此處理由 CLI 定義的相同區(qū)域,但增加了掃描軌道之間的時(shí)間延遲,導(dǎo)致觀察到的差異。HDF5 文件相應(yīng)地用于所有精細(xì)特征研究。

下圖顯示了試樣排列成 5 個(gè)塊,分布在一個(gè)圓柱形底板上。每組包括一個(gè)翼形體(頂行)、等邊三角形(中行)和格子結(jié)構(gòu)(底行)。每種幾何圖形中有 4 個(gè)被打印出來(lái),每個(gè)幾何圖形都使用不同的策略進(jìn)行掃描。重復(fù)的幾何形狀可以對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。還提供了打印樣本的放大視圖。
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4 種不同掃描策略打印的三角形掃描路徑如下圖。
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暖色表示高溫計(jì)測(cè)得的過(guò)程發(fā)射信號(hào),藍(lán)色表示沒(méi)有激活激光束的純掃描運(yùn)動(dòng)。
3D打印三角形樣品模擬如下圖
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3D打印三角形樣品實(shí)物如下圖
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研究使用島掃描構(gòu)建的三角形,可以推斷島重疊不是最佳設(shè)置的。島之間界面處加工材料的系統(tǒng)性不連續(xù)性可被視為樣本圖像中的較暗線。這一缺陷在模擬結(jié)果中非常明顯。所有的幾何結(jié)構(gòu),包括使用島掃描構(gòu)建翼和網(wǎng)格,都有同樣的錯(cuò)誤。

沿著三角形周邊向內(nèi)移動(dòng)的連續(xù)同心掃描需要多個(gè)skywriting,使激光能夠沿著三角形周邊移動(dòng)。這會(huì)導(dǎo)致過(guò)多的熱量輸入和熔池溢出。三角形輪廓不直,主體區(qū)域表示不規(guī)則的熔池表面。模擬結(jié)果表明,三角形中心區(qū)域的凝固時(shí)間顯著增加(>0.5ms)。外周內(nèi)側(cè)也表明輪廓和粉末之間存在一致的斷開(kāi),這與相應(yīng)試樣中所見(jiàn)的不同輪廓線相似。對(duì)格子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了類似的觀察,其中相互靠近的圓柱形支柱傾向于連接,因?yàn)槿鄢卮笮∨c支柱直徑相當(dāng)。
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然而,值得注意的是,翼型輪廓要好得多,沒(méi)有跡象表明翼型周邊的熔池不穩(wěn)定。這歸因于與三角形和格子樣本相比,掃描路徑更長(zhǎng)。
同樣值得注意的是,尖端后緣被精確打印。這是由于反射鏡需要額外的激光關(guān)閉掃描,以引導(dǎo)激光繞過(guò)尖角。
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同心掃描策略的激光開(kāi)啟(紅色)和激光關(guān)閉(藍(lán)色)掃描路徑。
模擬結(jié)果表明,與三角形試樣相比,翼型和格子的缺陷要小得多;只有中心掃描顯示了一些缺陷,這些缺陷是由于過(guò)度的熱量集中在特征的中心。為了提高同心掃描路徑的性能,建議在掃描向內(nèi)移動(dòng)到幾何中心時(shí)降低能量密度。

水平排列的曲折掃描三角形顯示下角的結(jié)果良好,但上角的打印不準(zhǔn)確。模擬結(jié)果顯示三角形的下半部分有規(guī)則打印,上角的凝固時(shí)間增加。三角形上部曲折掃描長(zhǎng)度短,導(dǎo)致更高的能量密度和更長(zhǎng)的凝固時(shí)間。這導(dǎo)致在樣本中觀察到的上角的凸起表面和不準(zhǔn)確的打印。為了減少施加在上(最后)角的能量,曲折策略首先打印三角形橫截面的一側(cè),然后打印另一側(cè)。在這種情況下,上角是準(zhǔn)確構(gòu)建的,在樣本或模擬中沒(méi)有觀察到任何缺陷。

下圖顯示了翼型和格子結(jié)構(gòu)的曲折掃描策略的結(jié)果。水平曲折導(dǎo)致良好的翼型結(jié)構(gòu),包括后緣的尖銳尖端。這與長(zhǎng)掃描線和翼型中心區(qū)域能量密度的均勻性有關(guān)。在打印翼型的上半部分和下半部分時(shí),使用較短的掃描線會(huì)導(dǎo)致凝固時(shí)間略有增加。然而,這不會(huì)導(dǎo)致熔池不穩(wěn)定和整體幾何精度非常好。另一方面,垂直半曲折顯示后緣凝固時(shí)間延長(zhǎng),曲折減半處的凝固時(shí)間輪廓不連續(xù)。預(yù)計(jì)這將導(dǎo)致該接頭處的材料質(zhì)量下降。半曲折最適合打印格子結(jié)構(gòu),半曲折的能量密度降低導(dǎo)致支柱的幾何精度提高,整個(gè)幾何形狀的凝固時(shí)間均勻性更高。
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結(jié)論

本研究開(kāi)發(fā)了一種半解析熱模型,允許通過(guò)掃描矢量的分辨率來(lái)預(yù)測(cè)工件的熱歷史。結(jié)果根據(jù)CFD 模型進(jìn)行了驗(yàn)證。半解析熱解算器運(yùn)行時(shí)間是有限元和有限體積傳導(dǎo)模型所需時(shí)間的一小部分,允許分析和比較不同的掃描策略。研究了幾種標(biāo)準(zhǔn)掃描策略,以分析和確定最適合不同精細(xì)特征的精確凈形狀打印的選項(xiàng)。通過(guò)操縱激光掃描開(kāi)/關(guān)時(shí)間,發(fā)現(xiàn) Skywriting 在精細(xì)特征的準(zhǔn)確性中起著關(guān)鍵作用。遺憾的是,構(gòu)建文件中沒(méi)有定義一次掃描和下一次掃描之間的時(shí)間延遲。

熱模型用于解析工件的熱歷史。液相線和固相線之間的冷卻行為值得關(guān)注。發(fā)現(xiàn) 60% 和 100% 固體之間的時(shí)間與表面形態(tài)密切相關(guān),提供了一種簡(jiǎn)單的相關(guān)性來(lái)評(píng)估精細(xì)特征表面質(zhì)量。

發(fā)現(xiàn)具有長(zhǎng)向量的曲折掃描會(huì)導(dǎo)致良好的特征邊緣。隨著矢量長(zhǎng)度的減少和多次掃描彼此靠近,能量輸入顯著增加,導(dǎo)致大熔池和打印尖銳特征(例如三角形角)時(shí)精度降低。沿著精細(xì)特征的周邊進(jìn)行長(zhǎng)掃描可獲得非常好的邊緣精度。當(dāng)使用周邊掃描尖銳特征(例如三角形角和翼形樣本的后緣)時(shí),Skywriting 被發(fā)現(xiàn)有積極的影響。遺憾的是,skywriting 時(shí)間無(wú)法由操作員設(shè)置,因此不能將其作為尖角的通用解決方案。同心掃描會(huì)導(dǎo)致特征中心能量增加,為了減輕由此產(chǎn)生的缺陷,建議降低功率或提高掃描速度來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整能量密度。

帶有最終輪廓掃描的曲折掃描在翼型和格子結(jié)構(gòu)的凈形狀精度和表面形態(tài)方面提供了可接受的結(jié)果。隨著掃描矢量長(zhǎng)度的減少,工藝參數(shù)的一些優(yōu)化將提高凝固時(shí)間的均勻性。本研究采用的掃描策略都不適合三角形特征。

來(lái)源:增材研究
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