干货分享:3D打印不同精细轮廓与扫描策略的选择 

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发布时间: 2023-01-13 09:17
3D打印轮廓特征的精度决定了表面光洁度、工件疲劳行为以及后处理程度。尽管扫描策略对于3D产品质量方面起着关键作用,但以数字方式研究扫描策略对热历史影响的研究较少,特别是根据所需的净形状选择合适的扫描策略。德国弗劳恩霍夫激光技术研究所、法国ESI联合研究了镍基高温合金Inconel 718的几种扫描策略,以分析和确定最适合不同精细特征的3D打印工艺。

大多数预处理软件解决方案都提供多种不同的扫描策略。在下图中描绘了不同扫描策略的扫描路径。

条纹扫描(线扫描)是一种简单的矢量排列方式。由于矢量长度有限,这种扫描策略的优点是在熔化过程中热分布更均匀。(如下图a)
曲折条纹扫描是条纹扫描的一种特殊形式。它是创建一个具有180°转向的连续矢量,最大矢量长度没有限制。(如下图a)
棋盘扫描(岛形扫描),扫描层被分为若干成正方形区域。这种扫描策略旨在减少零件中由工艺引起的应力。(如下图b)

同心扫描是轮廓扫描的一种。这种策略对于非常小的扫描区域特别有利,例如,格子结构。(如下图c)
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本研究中,使用上面介绍的扫描策略构建具有不同几何形状和结构的样品。形状包括椭圆形、三角形、翼型和格子。这些部件的几何尺寸列于表 1中。
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使用 D 50  = 30 μm 的Inconel 718 合金粉末,扫描参数如表 2。
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CLI 构建文件被发送到 LPBF 机器,描述每个层的扫描路径。在构建期间,在线监控器捕获控制器信号,以便除了在过程中捕获的热辐射之外,激光位置和状态始终是已知的。

CLI文件也被提交给热解算器以预测处理材料的质量。下图显示了经过处理以打印 2 mm宽椭圆的层的熔化区域。在模拟的一个阶段完全熔化(温度至少达到液相线)的计算单元的“熔化”值为 1。没有经过激光处理和/或根本没有熔化的单元的值为 0 。首先使用曲折条纹扫描路径处理,然后使用轮廓扫描最终确定椭圆周长。由于曲折扫描和轮廓扫描之间的重叠很小,观察到轮廓孔。
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对于 2 个不同大小的椭圆,实验获得的顶面形态如下图(顶行)所示。较小的椭圆是使用单个轮廓扫描构建的,第二个椭圆是使用大块区域中的曲折扫描和轮廓扫描构建的。大块显示曲折结构,轮廓扫描的第一个和结束点由两个椭圆左上区域的不规则性清楚地识别。

下图的第2 行和第 3 行显示了最后 40% 的糊状区域凝固所需的数值预测时间。总凝固时间(随着温度从液相线下降计算到固相线)可以推断为大约 1e6 K/s。基于 CLI 的结果主要受到轮廓扫描期间施加的热能的影响,“冲刷”掉了曲折扫描产生的结构,从而导致与实验观察到的结构截然不同。
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基于 CLI 和基于 HDF5 的数值预测之间的这种差异首先归因于模型简化、累积误差,并且可能是由于凝固时间不适合按照建议评估表面形态。基于 CFD 的高保真模型证实了基于 CLI 的结果观察到的差异。使用从机器控制器捕获的信号重复模拟,将 CLI 文件定义的预期扫描路径替换为打印机实际执行的操作。捕获的数据通过 HDF5 文件传输到模型。通过比较上图的顶行和底行可以看出,数值预测的表面结构与实验观察结果非常吻合。

CLI 和 HDF5 扫描文件的区别如下图所示,其中一系列图像描绘了激光运动,因为它打印了几个不同大小的椭圆。深蓝色(激光值=−30)表示尚未处理的区域。激光值为 0(浅蓝色)表示激光在关闭时运动。激光值为 100 的红线表示打开时的激光路径。CLI 文件仅定义红线。
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可以看出,小椭圆(尺寸 < 1.5 mm)的轮廓扫描不是在一次连续运动中处理的。取而代之的是,轮廓扫描停止,激光在关闭时四处移动,然后在定位时最终打开,以便它可以继续完成椭圆所需的急剧旋转。此行为归因于 skywriting 算法,该算法用于确保沿整个扫描矢量的扫描速度恒定。因此,控制器调整 CLI 扫描矢量,将其细分为允许激光在扫描矢量范围之外加速和减速的部分。如果两个连续扫描矢量之间的角度小于 30°,则会激活 Skywriting。这主要发生在小椭圆上,在大椭圆的情况下,多边形线彼此之间更倾斜。然而,skywriting 的激活意味着沉积的熔液在椭圆形状完成之前冷却下来,这解释了 CLI 和 HDF5 扫描之间的差异以及相应的数值结果。无需使用 skywriting 即可处理较大椭圆的轮廓,因此其行为与 CLI 扫描定义非常相似。

基于 CLI 文件的结果可以看作是理想化的结果,仅考虑打印所需横截面的激光轨迹。另一方面,HDF5 文件通过影响激光开/关时间的控制器行为补充了 CLI 文件信息。

因此,控制器执行额外的跟踪以实现复杂的镜像运动序列。在这些额外的轨道中,激光被关闭,因此处理由 CLI 定义的相同区域,但增加了扫描轨道之间的时间延迟,导致观察到的差异。HDF5 文件相应地用于所有精细特征研究。

下图显示了试样排列成 5 个块,分布在一个圆柱形底板上。每组包括一个翼形体(顶行)、等边三角形(中行)和格子结构(底行)。每种几何图形中有 4 个被打印出来,每个几何图形都使用不同的策略进行扫描。重复的几何形状可以对结果进行统计分析。还提供了打印样本的放大视图。
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4 种不同扫描策略打印的三角形扫描路径如下图。
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暖色表示高温计测得的过程发射信号,蓝色表示没有激活激光束的纯扫描运动。
3D打印三角形样品模拟如下图
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3D打印三角形样品实物如下图
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研究使用岛扫描构建的三角形,可以推断岛重叠不是最佳设置的。岛之间界面处加工材料的系统性不连续性可被视为样本图像中的较暗线。这一缺陷在模拟结果中非常明显。所有的几何结构,包括使用岛扫描构建翼和网格,都有同样的错误。

沿着三角形周边向内移动的连续同心扫描需要多个skywriting,使激光能够沿着三角形周边移动。这会导致过多的热量输入和熔池溢出。三角形轮廓不直,主体区域表示不规则的熔池表面。模拟结果表明,三角形中心区域的凝固时间显著增加(>0.5ms)。外周内侧也表明轮廓和粉末之间存在一致的断开,这与相应试样中所见的不同轮廓线相似。对格子结构进行了类似的观察,其中相互靠近的圆柱形支柱倾向于连接,因为熔池大小与支柱直径相当。
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然而,值得注意的是,翼型轮廓要好得多,没有迹象表明翼型周边的熔池不稳定。这归因于与三角形和格子样本相比,扫描路径更长。
同样值得注意的是,尖端后缘被精确打印。这是由于反射镜需要额外的激光关闭扫描,以引导激光绕过尖角。
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同心扫描策略的激光开启(红色)和激光关闭(蓝色)扫描路径。
模拟结果表明,与三角形试样相比,翼型和格子的缺陷要小得多;只有中心扫描显示了一些缺陷,这些缺陷是由于过度的热量集中在特征的中心。为了提高同心扫描路径的性能,建议在扫描向内移动到几何中心时降低能量密度。

水平排列的曲折扫描三角形显示下角的结果良好,但上角的打印不准确。模拟结果显示三角形的下半部分有规则打印,上角的凝固时间增加。三角形上部曲折扫描长度短,导致更高的能量密度和更长的凝固时间。这导致在样本中观察到的上角的凸起表面和不准确的打印。为了减少施加在上(最后)角的能量,曲折策略首先打印三角形横截面的一侧,然后打印另一侧。在这种情况下,上角是准确构建的,在样本或模拟中没有观察到任何缺陷。

下图显示了翼型和格子结构的曲折扫描策略的结果。水平曲折导致良好的翼型结构,包括后缘的尖锐尖端。这与长扫描线和翼型中心区域能量密度的均匀性有关。在打印翼型的上半部分和下半部分时,使用较短的扫描线会导致凝固时间略有增加。然而,这不会导致熔池不稳定和整体几何精度非常好。另一方面,垂直半曲折显示后缘凝固时间延长,曲折减半处的凝固时间轮廓不连续。预计这将导致该接头处的材料质量下降。半曲折最适合打印格子结构,半曲折的能量密度降低导致支柱的几何精度提高,整个几何形状的凝固时间均匀性更高。
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结论

本研究开发了一种半解析热模型,允许通过扫描矢量的分辨率来预测工件的热历史。结果根据CFD 模型进行了验证。半解析热解算器运行时间是有限元和有限体积传导模型所需时间的一小部分,允许分析和比较不同的扫描策略。研究了几种标准扫描策略,以分析和确定最适合不同精细特征的精确净形状打印的选项。通过操纵激光扫描开/关时间,发现 Skywriting 在精细特征的准确性中起着关键作用。遗憾的是,构建文件中没有定义一次扫描和下一次扫描之间的时间延迟。

热模型用于解析工件的热历史。液相线和固相线之间的冷却行为值得关注。发现 60% 和 100% 固体之间的时间与表面形态密切相关,提供了一种简单的相关性来评估精细特征表面质量。

发现具有长向量的曲折扫描会导致良好的特征边缘。随着矢量长度的减少和多次扫描彼此靠近,能量输入显着增加,导致大熔池和打印尖锐特征(例如三角形角)时精度降低。沿着精细特征的周边进行长扫描可获得非常好的边缘精度。当使用周边扫描尖锐特征(例如三角形角和翼形样本的后缘)时,Skywriting 被发现有积极的影响。遗憾的是,skywriting 时间无法由操作员设置,因此不能将其作为尖角的通用解决方案。同心扫描会导致特征中心能量增加,为了减轻由此产生的缺陷,建议降低功率或提高扫描速度来动态调整能量密度。

带有最终轮廓扫描的曲折扫描在翼型和格子结构的净形状精度和表面形态方面提供了可接受的结果。随着扫描矢量长度的减少,工艺参数的一些优化将提高凝固时间的均匀性。本研究采用的扫描策略都不适合三角形特征。

来源:增材研究
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