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。盡管掃描策略對于3D產(chǎn)品質量方面起著關鍵作用，但以數(shù)字方式研究掃描策略對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。德國弗勞恩霍夫激光技術研究所、法國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特征的3D打印工藝。

大多數(shù)預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）是一種簡單的矢量排列方式。由于矢量長度有限，這種掃描策略的優(yōu)點是在熔化過程中熱分布更均勻。（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)建一個具有180°轉向的連續(xù)矢量，最大矢量長度沒有限制。（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力。（如下圖b）

同心掃描是輪廓掃描的一種。這種策略對于非常小的掃描區(qū)域特別有利，例如，格子結構。（如下圖c）

本研究中，使用上面介紹的掃描策略構建具有不同幾何形狀和結構的樣品。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。

使用 D 50  = 30 μm 的Inconel 718 合金粉末，掃描參數(shù)如表 2。

CLI 構建文件被發(fā)送到 LPBF 機器，描述每個層的掃描路徑。在構建期間，在線監(jiān)控器捕獲控制器信號，以便除了在過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測處理材料的質量。下圖顯示了經(jīng)過處理以打印 2 mm寬橢圓的層的熔化區(qū)域。在模擬的一個階段完全熔化（溫度至少達到液相線）的計算單元的“熔化”值為 1。沒有經(jīng)過激光處理和/或根本沒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。由于曲折掃描和輪廓掃描之間的重疊很小，觀察到輪廓孔。

對于 2 個不同大小的橢圓，實驗獲得的頂面形態(tài)如下圖（頂行）所示。較小的橢圓是使用單個輪廓掃描構建的，第二個橢圓是使用大塊區(qū)域中的曲折掃描和輪廓掃描構建的。大塊顯示曲折結構，輪廓掃描的第一個和結束點由兩個橢圓左上區(qū)域的不規(guī)則性清楚地識別。

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)值預測時間?？偰虝r間（隨著溫度從液相線下降計算到固相線）可以推斷為大約 1e6 K/s?；?CLI 的結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)生的結構，從而導致與實驗觀察到的結構截然不同。

基于 CLI 和基于 HDF5 的數(shù)值預測之間的這種差異首先歸因于模型簡化、累積誤差，并且可能是由于凝固時間不適合按照建議評估表面形態(tài)?；?CFD 的高保真模型證實了基于 CLI 的結果觀察到的差異。使用從機器控制器捕獲的信號重復模擬，將 CLI 文件定義的預期掃描路徑替換為打印機實際執(zhí)行的操作。捕獲的數(shù)據(jù)通過 HDF5 文件傳輸?shù)侥Ｐ?。通過比較上圖的頂行和底行可以看出，數(shù)值預測的表面結構與實驗觀察結果非常吻合。

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動，因為它打印了幾個不同大小的橢圓。深藍色（激光值=−30）表示尚未處理的區(qū)域。激光值為 0（淺藍色）表示激光在關閉時運動。激光值為 100 的紅線表示打開時的激光路徑。CLI 文件僅定義紅線。

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)運動中處理的。取而代之的是，輪廓掃描停止，激光在關閉時四處移動，然后在定位時最終打開，以便它可以繼續(xù)完成橢圓所需的急劇旋轉。此行為歸因于 skywriting 算法，該算法用于確保沿整個掃描矢量的掃描速度恒定。因此，控制器調整 CLI 掃描矢量，將其細分為允許激光在掃描矢量范圍之外加速和減速的部分。如果兩個連續(xù)掃描矢量之間的角度小于 30°，則會激活 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，這解釋了 CLI 和 HDF5 掃描之間的差異以及相應的數(shù)值結果。無需使用 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 文件的結果可以看作是理想化的結果，僅考慮打印所需橫截面的激光軌跡。另一方面，HDF5 文件通過影響激光開/關時間的控制器行為補充了 CLI 文件信息。

因此，控制器執(zhí)行額外的跟蹤以實現(xiàn)復雜的鏡像運動序列。在這些額外的軌道中，激光被關閉，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間延遲，導致觀察到的差異。HDF5 文件相應地用于所有精細特征研究。

下圖顯示了試樣排列成 5 個塊，分布在一個圓柱形底板上。每組包括一個翼形體（頂行）、等邊三角形（中行）和格子結構（底行）。每種幾何圖形中有 4 個被打印出來，每個幾何圖形都使用不同的策略進行掃描。重復的幾何形狀可以對結果進行統(tǒng)計分析。還提供了打印樣本的放大視圖。

4 種不同掃描策略打印的三角形掃描路徑如下圖。

暖色表示高溫計測得的過程發(fā)射信號，藍色表示沒有激活激光束的純掃描運動。
3D打印三角形樣品模擬如下圖

3D打印三角形樣品實物如下圖

研究使用島掃描構建的三角形，可以推斷島重疊不是最佳設置的。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。這一缺陷在模擬結果中非常明顯。所有的幾何結構，包括使用島掃描構建翼和網(wǎng)格，都有同樣的錯誤。

沿著三角形周邊向內移動的連續(xù)同心掃描需要多個skywriting，使激光能夠沿著三角形周邊移動。這會導致過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。模擬結果表明，三角形中心區(qū)域的凝固時間顯著增加（>0.5ms）。外周內側也表明輪廓和粉末之間存在一致的斷開，這與相應試樣中所見的不同輪廓線相似。對格子結構進行了類似的觀察，其中相互靠近的圓柱形支柱傾向于連接，因為熔池大小與支柱直徑相當。

然而，值得注意的是，翼型輪廓要好得多，沒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。
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閉掃描，以引導激光繞過尖角。

同心掃描策略的激光開啟（紅色）和激光關閉（藍色）掃描路徑。
模擬結果表明，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，建議在掃描向內移動到幾何中心時降低能量密度。

水平排列的曲折掃描三角形顯示下角的結果良好，但上角的打印不準確。模擬結果顯示三角形的下半部分有規(guī)則打印，上角的凝固時間增加。三角形上部曲折掃描長度短，導致更高的能量密度和更長的凝固時間。這導致在樣本中觀察到的上角的凸起表面和不準確的打印。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，然后打印另一側。在這種情況下，上角是準確構建的，在樣本或模擬中沒有觀察到任何缺陷。

下圖顯示了翼型和格子結構的曲折掃描策略的結果。水平曲折導致良好的翼型結構，包括后緣的尖銳尖端。這與長掃描線和翼型中心區(qū)域能量密度的均勻性有關。在打印翼型的上半部分和下半部分時，使用較短的掃描線會導致凝固時間略有增加。然而，這不會導致熔池不穩(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間延長，曲折減半處的凝固時間輪廓不連續(xù)。預計這將導致該接頭處的材料質量下降。半曲折最適合打印格子結構，半曲折的能量密度降低導致支柱的幾何精度提高，整個幾何形狀的凝固時間均勻性更高。

結論

本研究開發(fā)了一種半解析熱模型，允許通過掃描矢量的分辨率來預測工件的熱歷史。結果根據(jù)CFD 模型進行了驗證。半解析熱解算器運行時間是有限元和有限體積傳導模型所需時間的一小部分，允許分析和比較不同的掃描策略。研究了幾種標準掃描策略，以分析和確定最適合不同精細特征的精確凈形狀打印的選項。通過操縱激光掃描開/關時間，發(fā)現(xiàn) Skywriting 在精細特征的準確性中起著關鍵作用。遺憾的是，構建文件中沒有定義一次掃描和下一次掃描之間的時間延遲。

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注。發(fā)現(xiàn) 60% 和 100% 固體之間的時間與表面形態(tài)密切相關，提供了一種簡單的相關性來評估精細特征表面質量。

發(fā)現(xiàn)具有長向量的曲折掃描會導致良好的特征邊緣。隨著矢量長度的減少和多次掃描彼此靠近，能量輸入顯著增加，導致大熔池和打印尖銳特征（例如三角形角）時精度降低。沿著精細特征的周邊進行長掃描可獲得非常好的邊緣精度。當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，Skywriting 被發(fā)現(xiàn)有積極的影響。遺憾的是，skywriting 時間無法由操作員設置，因此不能將其作為尖角的通用解決方案。同心掃描會導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動態(tài)調整能量密度。

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

來源：增材研究

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。盡管掃描策略對于3D產(chǎn)品質量方面起著關鍵作用，但以數(shù)字方式研究掃描策略對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。德國弗勞恩霍夫激光技術研究所、法國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特征的3D打印工藝。

大多數(shù)預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）是一種簡單的矢量排列方式。由于矢量長度有限，這種掃描策略的優(yōu)點是在熔化過程中熱分布更均勻。（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)建一個具有180°轉向的連續(xù)矢量，最大矢量長度沒有限制。（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力。（如下圖b）

同心掃描是輪廓掃描的一種。這種策略對于非常小的掃描區(qū)域特別有利，例如，格子結構。（如下圖c）

本研究中，使用上面介紹的掃描策略構建具有不同幾何形狀和結構的樣品。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。

使用 D 50  = 30 μm 的Inconel 718 合金粉末，掃描參數(shù)如表 2。

CLI 構建文件被發(fā)送到 LPBF 機器，描述每個層的掃描路徑。在構建期間，在線監(jiān)控器捕獲控制器信號，以便除了在過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測處理材料的質量。下圖顯示了經(jīng)過處理以打印 2 mm寬橢圓的層的熔化區(qū)域。在模擬的一個階段完全熔化（溫度至少達到液相線）的計算單元的“熔化”值為 1。沒有經(jīng)過激光處理和/或根本沒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。由于曲折掃描和輪廓掃描之間的重疊很小，觀察到輪廓孔。

對于 2 個不同大小的橢圓，實驗獲得的頂面形態(tài)如下圖（頂行）所示。較小的橢圓是使用單個輪廓掃描構建的，第二個橢圓是使用大塊區(qū)域中的曲折掃描和輪廓掃描構建的。大塊顯示曲折結構，輪廓掃描的第一個和結束點由兩個橢圓左上區(qū)域的不規(guī)則性清楚地識別。

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)值預測時間?？偰虝r間（隨著溫度從液相線下降計算到固相線）可以推斷為大約 1e6 K/s?；?CLI 的結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)生的結構，從而導致與實驗觀察到的結構截然不同。

基于 CLI 和基于 HDF5 的數(shù)值預測之間的這種差異首先歸因于模型簡化、累積誤差，并且可能是由于凝固時間不適合按照建議評估表面形態(tài)?；?CFD 的高保真模型證實了基于 CLI 的結果觀察到的差異。使用從機器控制器捕獲的信號重復模擬，將 CLI 文件定義的預期掃描路徑替換為打印機實際執(zhí)行的操作。捕獲的數(shù)據(jù)通過 HDF5 文件傳輸?shù)侥Ｐ?。通過比較上圖的頂行和底行可以看出，數(shù)值預測的表面結構與實驗觀察結果非常吻合。

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動，因為它打印了幾個不同大小的橢圓。深藍色（激光值=−30）表示尚未處理的區(qū)域。激光值為 0（淺藍色）表示激光在關閉時運動。激光值為 100 的紅線表示打開時的激光路徑。CLI 文件僅定義紅線。

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)運動中處理的。取而代之的是，輪廓掃描停止，激光在關閉時四處移動，然后在定位時最終打開，以便它可以繼續(xù)完成橢圓所需的急劇旋轉。此行為歸因于 skywriting 算法，該算法用于確保沿整個掃描矢量的掃描速度恒定。因此，控制器調整 CLI 掃描矢量，將其細分為允許激光在掃描矢量范圍之外加速和減速的部分。如果兩個連續(xù)掃描矢量之間的角度小于 30°，則會激活 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，這解釋了 CLI 和 HDF5 掃描之間的差異以及相應的數(shù)值結果。無需使用 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 文件的結果可以看作是理想化的結果，僅考慮打印所需橫截面的激光軌跡。另一方面，HDF5 文件通過影響激光開/關時間的控制器行為補充了 CLI 文件信息。

因此，控制器執(zhí)行額外的跟蹤以實現(xiàn)復雜的鏡像運動序列。在這些額外的軌道中，激光被關閉，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間延遲，導致觀察到的差異。HDF5 文件相應地用于所有精細特征研究。

下圖顯示了試樣排列成 5 個塊，分布在一個圓柱形底板上。每組包括一個翼形體（頂行）、等邊三角形（中行）和格子結構（底行）。每種幾何圖形中有 4 個被打印出來，每個幾何圖形都使用不同的策略進行掃描。重復的幾何形狀可以對結果進行統(tǒng)計分析。還提供了打印樣本的放大視圖。

4 種不同掃描策略打印的三角形掃描路徑如下圖。

暖色表示高溫計測得的過程發(fā)射信號，藍色表示沒有激活激光束的純掃描運動。
3D打印三角形樣品模擬如下圖

3D打印三角形樣品實物如下圖

研究使用島掃描構建的三角形，可以推斷島重疊不是最佳設置的。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。這一缺陷在模擬結果中非常明顯。所有的幾何結構，包括使用島掃描構建翼和網(wǎng)格，都有同樣的錯誤。

沿著三角形周邊向內移動的連續(xù)同心掃描需要多個skywriting，使激光能夠沿著三角形周邊移動。這會導致過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。模擬結果表明，三角形中心區(qū)域的凝固時間顯著增加（>0.5ms）。外周內側也表明輪廓和粉末之間存在一致的斷開，這與相應試樣中所見的不同輪廓線相似。對格子結構進行了類似的觀察，其中相互靠近的圓柱形支柱傾向于連接，因為熔池大小與支柱直徑相當。

然而，值得注意的是，翼型輪廓要好得多，沒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。
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閉掃描，以引導激光繞過尖角。

同心掃描策略的激光開啟（紅色）和激光關閉（藍色）掃描路徑。
模擬結果表明，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，建議在掃描向內移動到幾何中心時降低能量密度。

水平排列的曲折掃描三角形顯示下角的結果良好，但上角的打印不準確。模擬結果顯示三角形的下半部分有規(guī)則打印，上角的凝固時間增加。三角形上部曲折掃描長度短，導致更高的能量密度和更長的凝固時間。這導致在樣本中觀察到的上角的凸起表面和不準確的打印。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，然后打印另一側。在這種情況下，上角是準確構建的，在樣本或模擬中沒有觀察到任何缺陷。

下圖顯示了翼型和格子結構的曲折掃描策略的結果。水平曲折導致良好的翼型結構，包括后緣的尖銳尖端。這與長掃描線和翼型中心區(qū)域能量密度的均勻性有關。在打印翼型的上半部分和下半部分時，使用較短的掃描線會導致凝固時間略有增加。然而，這不會導致熔池不穩(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間延長，曲折減半處的凝固時間輪廓不連續(xù)。預計這將導致該接頭處的材料質量下降。半曲折最適合打印格子結構，半曲折的能量密度降低導致支柱的幾何精度提高，整個幾何形狀的凝固時間均勻性更高。

結論

本研究開發(fā)了一種半解析熱模型，允許通過掃描矢量的分辨率來預測工件的熱歷史。結果根據(jù)CFD 模型進行了驗證。半解析熱解算器運行時間是有限元和有限體積傳導模型所需時間的一小部分，允許分析和比較不同的掃描策略。研究了幾種標準掃描策略，以分析和確定最適合不同精細特征的精確凈形狀打印的選項。通過操縱激光掃描開/關時間，發(fā)現(xiàn) Skywriting 在精細特征的準確性中起著關鍵作用。遺憾的是，構建文件中沒有定義一次掃描和下一次掃描之間的時間延遲。

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注。發(fā)現(xiàn) 60% 和 100% 固體之間的時間與表面形態(tài)密切相關，提供了一種簡單的相關性來評估精細特征表面質量。

發(fā)現(xiàn)具有長向量的曲折掃描會導致良好的特征邊緣。隨著矢量長度的減少和多次掃描彼此靠近，能量輸入顯著增加，導致大熔池和打印尖銳特征（例如三角形角）時精度降低。沿著精細特征的周邊進行長掃描可獲得非常好的邊緣精度。當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，Skywriting 被發(fā)現(xiàn)有積極的影響。遺憾的是，skywriting 時間無法由操作員設置，因此不能將其作為尖角的通用解決方案。同心掃描會導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動態(tài)調整能量密度。

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

來源：增材研究