LB-PBF工藝3D打印AlSi10Mg薄壁結(jié)構(gòu)的數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究

來源： 增材制造技術(shù)前沿

薄壁結(jié)構(gòu)在物理和工程的許多領(lǐng)域都有應(yīng)用。激光粉末床熔融(LB-PBF) 能夠制造自由形狀，可以在單個(gè)生產(chǎn)步驟中輕松打印薄壁結(jié)構(gòu)。然而，由于此類結(jié)構(gòu)的特性以及側(cè)面熱應(yīng)力的相互作用，出現(xiàn)裂紋和變形等缺陷的可能性很高。

鋁合金在許多高價(jià)值LB-PBF應(yīng)用中的使用越來越廣泛。在候選的LB-PBF鋁合金中，AlSi10Mg具有優(yōu)異的機(jī)械和熱性能，例如高強(qiáng)度重量比和高熱擴(kuò)散率。AlSi10Mg廣泛應(yīng)用于航空航天和汽車工業(yè)，用于生產(chǎn)散熱器、外殼和進(jìn)氣歧管。這些高價(jià)值組件具有復(fù)雜的幾何特征，例如薄平面壁、晶格單元和曲面，需要仔細(xì)的設(shè)計(jì)。AlSi10Mg的機(jī)械各向異性是構(gòu)建方向的函數(shù)，在使用此方法進(jìn)行組件設(shè)計(jì)期間需要考慮這一點(diǎn)。

薄壁結(jié)構(gòu)的潛在工程應(yīng)用包括：(a) 噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，(b) 噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)部件，(c) 渦輪泵排氣出口，(d) 燃?xì)廨啓C(jī)儀表化凸輪噴嘴

來自皇家墨爾本理工大學(xué)工程學(xué)院、澳大利亞科學(xué)技術(shù)研究、荷蘭恩斯赫德特文特大學(xué)、弗勞恩霍夫先進(jìn)制造創(chuàng)新平臺以及迪肯大學(xué)工程學(xué)院的研究人員共同研究了激光功率、傾角和激光掃描次數(shù)對LB-PBF制備的薄壁結(jié)構(gòu)尺寸（厚度）偏差、畸變和孔隙率的影響。

https://doi.org/10.1016/j.tws.2023.110814

（A）300W激光功率（B）400W激光功率顯示激光功率對熔池寬度的變化可忽略不計(jì)

(A 和 B)粉末床和裸露基材上的溫度分布，(C) 測量厚度和尺寸偏差的主效應(yīng)圖

研究上述參數(shù)有助于確定LB-PBF工藝打印AlSi10Mg薄壁結(jié)構(gòu)的能力以及這些結(jié)構(gòu)的可制造性。為了確定傾角、激光掃描次數(shù)和激光功率對尺寸偏差、變形和孔隙率的影響，進(jìn)行全因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。為了討論結(jié)果，進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析和模擬。使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬了熔池的深度和寬度，然后根據(jù)薄壁的厚度對獲得的熔軌尺寸進(jìn)行分析以確認(rèn)模擬的準(zhǔn)確性。根據(jù)模擬結(jié)果對LB-PBF工藝在 薄壁結(jié)構(gòu)打印生產(chǎn)中的相關(guān)流變特性進(jìn)行了表征和討論。

(A–C) 基材上矩形管和喇叭形狀的打印樣品和俯視圖，(D,E) 用于檢查打印可行性的喇叭樣品 (F) CAD 模型

在該研究中，首次以不同的傾角和激光通過次數(shù)對薄壁表面進(jìn)行了經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的模擬和實(shí)驗(yàn)，以確定這些控制因素對尺寸偏差、變形和孔隙率的影響。薄壁結(jié)構(gòu)的熔池現(xiàn)象通過材料的基本流變學(xué)方面和熱物理性質(zhì)來識別。針對這些感興趣的條件對可制造性和孔隙率進(jìn)行了量化，從而為薄壁結(jié)構(gòu)在的3D打印應(yīng)用提供了基本的現(xiàn)象學(xué)見解與實(shí)際設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

由于這些結(jié)構(gòu)的薄壁特性，特別是在使用傳統(tǒng)制造工藝時(shí)，薄壁零件的生產(chǎn)很困難，例如需要半精加工和精加工各個(gè)步驟的機(jī)械加工。在本研究中，研究了 LB-PBF打印薄壁零件的可行性并確定了可能的缺陷。對上述缺陷的控制因素進(jìn)行了表征，并為了找到缺陷的潛在物理現(xiàn)象，對單次、三次和五次激光通過進(jìn)行了可制造性模擬。綜合討論了激光功率、激光通過次數(shù)和傾斜角度對尺寸偏差、畸變和孔隙率的影響。所提出的結(jié)果有助于確定LB-PBF工藝生產(chǎn)AlSi10Mg薄壁零件的能力。為此，選擇了全析因?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)，實(shí)施了不同的統(tǒng)計(jì)分析，如多元方差分析和主效應(yīng)圖。通過與實(shí)驗(yàn)測量進(jìn)行比較，驗(yàn)證了熔跡模擬。確定了薄壁零件生產(chǎn)中LB-PBF過程的相關(guān)流變特性，并用于表征構(gòu)建角度、激光功率和激光通過次數(shù)的影響。結(jié)果總結(jié)如下：

• 主效應(yīng)分析表明，通過增加構(gòu)建角度和激光功率，厚度和尺寸偏差會(huì)增加。然而，發(fā)現(xiàn)激光功率在主效應(yīng)圖中的斜率較小，這被證明對厚度無關(guān)緊要。根據(jù)多元方差分析，發(fā)現(xiàn)激光通過次數(shù)和構(gòu)建角度對薄壁零件的厚度和尺寸偏差影響最大。

• 主效應(yīng)和P值分析表明，激光功率和構(gòu)建角度對于橫向變形來說是無關(guān)緊要的因素。相反，激光通過的次數(shù)顯著驅(qū)動(dòng)橫向變形。

這項(xiàng)研究還表明，所研究的獨(dú)立參數(shù)驅(qū)動(dòng)薄壁零件側(cè)面的開孔和閉孔孔隙率。統(tǒng)計(jì)分析表明，激光通過的次數(shù)顯著改變了閉孔率的百分比。還發(fā)現(xiàn)構(gòu)建角度是開孔和閉孔百分比的重要因素。在低傾角和單次激光通過的樣品中，孔隙率明顯最高，這表明在這些條件下材料并未完全熔合。