華中科技大學(xué)：激光增材制造工藝參數(shù)的研究現(xiàn)狀

來源：《模具工業(yè)》2019年第9期

激光增材制造技術(shù)（laser additive manufacturing，LAM）是三維實(shí)體快速成形技術(shù),相比于光固化成形技術(shù)（stereo lithography appearance，SLA）、熔融沉積快速成形技術(shù)（fused deposition modeling，F(xiàn)DM）、三維粉末粘結(jié)技術(shù)（three dimensional printingand gluing，3DP），其原材料選擇范圍更廣，任何受熱后能粘結(jié)的材料都可以作為原材料。在打印大尺寸制件時(shí)，機(jī)床中未熔融的粉末可以起到支撐作用，加工過程不需要支架，加工完成后，未熔融的粉末可以二次回收，降低了生產(chǎn)成本，因此激光增材制造技術(shù)是具有較好應(yīng)用前景的增材制造技術(shù)之一。
以下介紹了激光增材制造技術(shù)的基本原理，闡述了影響制件性能的主要因素，并從試驗(yàn)研究、數(shù)值模擬及工藝優(yōu)化3個(gè)方面介紹了激光增材制造工藝參數(shù)的研究方法與結(jié)果。

1激光增材制造技術(shù)的基本原理
激光增材制造技術(shù)是用激光作為能量源將金屬、高分子或其他粉末逐層熔合成復(fù)雜三維形狀的3D打印工藝。根據(jù)加工條件與材料的不同，激光增材制造可分為選擇性激光燒結(jié)（selective laser sintering，SLS）、選擇性激光熔化（selective laser melting，SLM）、直接金屬激光燒結(jié)（direct metal laser sintering，DMLS）、直接金屬沉積（direct metal deposition，DMD）、激光粉末沉積（pulsed laser deposition，PLD）等。圖1所示為鋪粉式與送粉式激光增材制造技術(shù)的原理圖。

圖1 激光增材制造技術(shù)原理

圖2 影響制件性能的因素

研究表明，影響激光增材制造制件性能的因素有130余種。影響因素可以分為4類：材料屬性、加工環(huán)境、裝備誤差、工藝參數(shù)，如圖2所示。通常情況下，前三者在生產(chǎn)前已確定，因此工藝參數(shù)是決定制件性能的關(guān)鍵因素。

圖3 調(diào)整工藝參數(shù)的3種技術(shù)

國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要通過試驗(yàn)研究、數(shù)值模擬、工藝優(yōu)化的方法對(duì)調(diào)整工藝參數(shù)進(jìn)行了大量的研究，如圖3所示，以下將從上述3個(gè)方面闡述調(diào)整工藝參數(shù)的方法并介紹部分研究結(jié)果。

2試驗(yàn)研究

（a）制件微觀形貌

（b）力學(xué)性能測(cè)試

圖4 不同工藝參數(shù)的微觀形貌和力學(xué)性能測(cè)試

K TAN 等對(duì)比不同激光功率、預(yù)熱溫度的聚醚醚酮制件的微觀形貌，得到了最佳激光功率與預(yù)熱溫度參數(shù)，制件在不同激光功率下的微觀形貌如圖4（a）所示。
P PEYRE 等使用聚醚酮酮材料進(jìn)行全因子試驗(yàn)，根據(jù)不同激光功率、掃描速度、預(yù)熱溫度的制件表面質(zhì)量制定了工藝窗口。
K TAN 張建梅等以鋪粉厚度、掃描速度、預(yù)熱溫度、激光功率4個(gè)工藝參數(shù)作為變量，采用樹脂粉末進(jìn)行正交試驗(yàn)，得到了各個(gè)工藝參數(shù)影響制件密度的權(quán)重和制備高密度制件的最佳工藝參數(shù)組合。

基于響應(yīng)面試驗(yàn)， S SINGH 等研究不同激光功率、掃描間距、預(yù)熱溫度等5個(gè)工藝參數(shù)的尼龍制件的尺寸精度，得到了各個(gè)因素對(duì)制件收縮率的影響。
張弘 采用響應(yīng)面的設(shè)計(jì)方法，得到了不同激光功率、曝光時(shí)間、點(diǎn)距、掃描間距等因素對(duì)316L不銹鋼制件致密度與力學(xué)性能（拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲）影響的回歸模型，建立了制件性能與上述工藝參數(shù)的定量關(guān)系，制件力學(xué)性能測(cè)試如圖4（b）所示。

B ALMANGOUR 等研究碳化鈦/316L不銹鋼合金在不同掃描速度的相演變、致密度及力學(xué)性能，得到了具有不同晶粒結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能的制件。
R ENNETI 等通過響應(yīng)面方法研究不同掃描間距和掃描速度的鎢制件的致密度，采用回歸分析得到了掃描間距、掃描速度與制件致密度的定量模型。
上述試驗(yàn)主要研究了工藝參數(shù)與制件性能的關(guān)系，相關(guān)的增強(qiáng)或弱化機(jī)理尚不清楚，對(duì)成形過程中材料微觀結(jié)構(gòu)演化、溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)變化及制件性能的預(yù)測(cè)研究較少。以下將從不同尺度的數(shù)值模擬方法介紹激光增材制造工藝參數(shù)研究的相關(guān)工作。

3數(shù)值模擬

圖5 激光增材制造在不同尺度的數(shù)值模擬

圖5所示為激光增材制造在不同尺度的數(shù)值模擬，宏觀、介觀及微觀模擬的區(qū)分主要根據(jù)研究對(duì)象的空間尺度進(jìn)行劃分，對(duì)于增材制造工藝模擬過程中，不同的模擬方法可以對(duì)不同尺度的問題進(jìn)行研究。宏觀尺度（10-1m以上）主要針對(duì)成形件的溫度場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行模擬；介觀尺度（10-6~10-4m）可以用于研究顆粒的流動(dòng)、熔池形貌等；而微觀尺度（10-6m以下）主要對(duì)材料組織，如金相、高分子取向行為等進(jìn)行模擬。

1宏觀數(shù)值模擬

圖6 溫度場(chǎng)驗(yàn)證的2種方法

溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬可以通過建立瞬態(tài)熱分析模型進(jìn)行求解，其準(zhǔn)確性主要采用對(duì)加工過程中的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)或后續(xù)測(cè)量制件的熔合區(qū)域的方式進(jìn)行驗(yàn)證。
C BRUNA-ROSSO 等通過建立激光增材制造溫度場(chǎng)模型，得到不同激光功率、掃描速度的熔池形貌，并采用高速攝像機(jī)拍攝動(dòng)態(tài)圖像進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如圖6（a）所示。
F SHEN 等建立了尼龍12/碳納米管溫度場(chǎng)的瞬態(tài)模型，計(jì)算得到了不同能量密度的熔池長(zhǎng)度、熔池深度與熔池最高溫度，如圖6（b）所示。
D RIEDLBAUER 等通過測(cè)量制件在不同激光功率、掃描速度的熔池寬度并與仿真結(jié)果比對(duì)，驗(yàn)證溫度場(chǎng)數(shù)理模型的準(zhǔn)確性。
S MIHIR 等建立了鑄造鋁合金激光增材制造三維溫度場(chǎng)傳熱模型，計(jì)算了不同激光功率、掃描速度的熔池長(zhǎng)度與深度，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。
激光增材制造加工過程中局部溫度梯度大，導(dǎo)致制件內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力與殘余應(yīng)力，制件內(nèi)應(yīng)力的釋放會(huì)造成翹曲、開裂等缺陷，影響制件的服役性能。因此對(duì)應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析工藝參數(shù)對(duì)內(nèi)應(yīng)力的影響尤為重要。目前實(shí)時(shí)獲得制造過程中內(nèi)應(yīng)力和變形數(shù)據(jù)難度較大，現(xiàn)階段常采用加工后測(cè)量制件的翹曲變形量的方式驗(yàn)證計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。
應(yīng)力場(chǎng)主要通過與溫度場(chǎng)直接或間接的耦合方式進(jìn)行求解。
吳江艷 等利用廣義Maxwell模型描述丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物粘彈性變形行為，采用溫度場(chǎng)-應(yīng)力場(chǎng)直接耦合分析方法，求解得到了不同掃描方式下的制件翹曲變形量，為優(yōu)選工藝參數(shù)提供了依據(jù)。

圖7 數(shù)值模擬的應(yīng)變與試驗(yàn)測(cè)得三維點(diǎn)云的應(yīng)變對(duì)比

張鈺 采用溫度場(chǎng)-應(yīng)力場(chǎng)間接耦合的方式，利用線彈性模型表征聚醚醚酮制件在不同預(yù)熱溫度、打印速度的變形量，并通過三維點(diǎn)云測(cè)量裝置，將數(shù)值模擬中的變形量與實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示。
M MASOOMI 等采用在基板中嵌入熱電偶的方式，采集不同激光功率、掃描速度的不銹鋼材料加工過程中單點(diǎn)熱循環(huán)曲線，與模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

2介觀與微觀數(shù)值模擬

圖8 試驗(yàn)與數(shù)值模擬熔池形貌對(duì)比

注：a.鋪粉厚度20 μm；b.鋪粉厚度60 μm；c.鋪粉厚度80 μm；d.鋪粉厚度100 μm；e.氬氣保護(hù)；f.快速掃描4 000 mm/s
戴冬華 等采用有限體積法模擬了不同激光功率的W/Cu合金溫度場(chǎng)、流場(chǎng)和孔隙的生長(zhǎng)行為，并與掃描電子顯微鏡拍攝的制件微觀形貌進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。
S SHRESTHA 等采用流體動(dòng)力學(xué)方法，研究了單層單道和雙層單道軌跡不同掃描速度的鎳基高溫合金的溫度場(chǎng)分布、熔池形貌、流場(chǎng)及孔隙分布，得到制件高致密度的掃描速度。
C PANWISAWAS 等通過流體動(dòng)力學(xué)方法分析不同鋪粉厚度、掃描速度的Ti64合金單軌形態(tài)、孔隙形成和熔體流動(dòng)行為，并與試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比，不同鋪粉厚度、保護(hù)氣氛種類、掃描速度的試驗(yàn)與數(shù)值模擬的熔池形貌如圖8所示。

圖9 不同能量密度的試驗(yàn)與模擬微觀組織形貌

Y M ARISOY 等基于相位場(chǎng)方法，模擬了不同能量密度的制件凝固過程中的成核現(xiàn)象和柱狀枝晶形成過程，并與試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比，如圖9所示。
N RAGHAVAN 等模擬不同激光半徑、激光功率、預(yù)熱溫度的鎳鉻鐵合金制件的溫度梯度和液固界面速度，計(jì)算得到了制件等軸晶的體積分布，并與電子背散射衍射拍攝的制件微觀形貌對(duì)比進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

上述研究表明，數(shù)值模擬方法能有效預(yù)測(cè)制造過程中的材料形態(tài)演變及制件翹曲變形，同時(shí)可以揭示不同工藝因素對(duì)制件性能的影響機(jī)理，但受到模擬尺度與計(jì)算方法的限制，制件表面質(zhì)量、服役行為等問題難以通過數(shù)值模擬進(jìn)行求解。得益于人工智能技術(shù)的發(fā)展，通過優(yōu)化算法對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整成為目前研究熱點(diǎn)之一。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者將試驗(yàn)或數(shù)值模擬得到的結(jié)果作為數(shù)據(jù)樣本，采用工藝優(yōu)化算法訓(xùn)練模型，從而對(duì)不同工藝參數(shù)的制件性能指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)與優(yōu)化。

4工藝優(yōu)化
劉碩 等針對(duì)不同預(yù)熱溫度、掃描速度等5個(gè)工藝參數(shù)的27組聚苯乙烯制件，取其中24組數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集、3組數(shù)據(jù)作為測(cè)試集，采用廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模，預(yù)測(cè)了支撐厚度及預(yù)熱溫度對(duì)制件收縮率的影響，測(cè)試結(jié)果表明預(yù)測(cè)誤差率小于6%。

史玉升 等采用制件收縮率作為評(píng)判指標(biāo)，對(duì)不同工藝參數(shù)得到的高分子材料標(biāo)準(zhǔn)件作為數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練，采用專家系統(tǒng)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法自動(dòng)優(yōu)化工藝參數(shù)，結(jié)果表明制件的絕對(duì)精度誤差小于0.23mm。

A DASTJERDI AHMADI 等利用有限元軟件生成“工藝參數(shù)-翹曲量”訓(xùn)練集，通過訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型得到鋪粉厚度、掃描間距等工藝參數(shù)與制件翹曲量的關(guān)系，得到了尼龍12粉末在恒定能量密度的最小翹曲值的工藝參數(shù)組合，并將優(yōu)化后的結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。
基于模糊推理的方法， D RAJAMANI 等建立了專家系統(tǒng)評(píng)價(jià)高密度聚苯乙烯表面磨損量與鋪粉厚度、激光功率、掃描速度等參數(shù)的關(guān)系，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

（a）自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

（b）灰色關(guān)聯(lián)的工藝參數(shù)灰度等值圖

圖10 不同工藝優(yōu)化方法

H SOHRABPOOR 等以不同預(yù)熱溫度、激光功率、掃描間隔、掃描速度下尼龍制件的伸長(zhǎng)率和極限拉伸強(qiáng)度作為輸出特性，分別采用自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與灰色關(guān)聯(lián)優(yōu)化方法進(jìn)行預(yù)測(cè)，并對(duì)2種優(yōu)化方法進(jìn)行了對(duì)比，如圖10所示。

G TAPIA 等采用不同激光功率、掃描速度的316L不銹鋼的熔池深度作為數(shù)據(jù)樣本，利用基于高斯過程的統(tǒng)計(jì)模型方法預(yù)測(cè)了熔池深度并建立了工藝參數(shù)窗口。

原文來源：《模具工業(yè)》2019年第9期