LB-PBF工藝3D打印AlSi10Mg薄壁結構的數(shù)值和實驗研究

來源： 增材制造技術前沿

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

鋁合金在許多高價值LB-PBF應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)異的機械和熱性能，例如高強度重量比和高熱擴散率。AlSi10Mg廣泛應用于航空航天和汽車工業(yè)，用于生產(chǎn)散熱器、外殼和進氣歧管。這些高價值組件具有復雜的幾何特征，例如薄平面壁、晶格單元和曲面，需要仔細的設計。AlSi10Mg的機械各向異性是構建方向的函數(shù)，在使用此方法進行組件設計期間需要考慮這一點。

薄壁結構的潛在工程應用包括：(a) 噴氣發(fā)動機殼體，(b) 噴氣發(fā)動機部件，(c) 渦輪泵排氣出口，(d) 燃氣輪機儀表化凸輪噴嘴

來自皇家墨爾本理工大學工程學院、澳大利亞科學技術研究、荷蘭恩斯赫德特文特大學、弗勞恩霍夫先進制造創(chuàng)新平臺以及迪肯大學工程學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制備的薄壁結構尺寸（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

(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圖

研究上述參數(shù)有助于確定LB-PBF工藝打印AlSi10Mg薄壁結構的能力以及這些結構的可制造性。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，進行全因子實驗設計。為了討論結果，進行了統(tǒng)計分析和模擬。使用計算流體動力學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行分析以確認模擬的準確性。根據(jù)模擬結果對LB-PBF工藝在 薄壁結構打印生產(chǎn)中的相關流變特性進行了表征和討論。

(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)對薄壁表面進行了經(jīng)過實驗驗證的模擬和實驗，以確定這些控制因素對尺寸偏差、變形和孔隙率的影響。薄壁結構的熔池現(xiàn)象通過材料的基本流變學方面和熱物理性質(zhì)來識別。針對這些感興趣的條件對可制造性和孔隙率進行了量化，從而為薄壁結構在的3D打印應用提供了基本的現(xiàn)象學見解與實際設計數(shù)據(jù)。

由于這些結構的薄壁特性，特別是在使用傳統(tǒng)制造工藝時，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步驟的機械加工。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)嶒炘O計，實施了不同的統(tǒng)計分析，如多元方差分析和主效應圖。通過與實驗測量進行比較，驗證了熔跡模擬。確定了薄壁零件生產(chǎn)中LB-PBF過程的相關流變特性，并用于表征構建角度、激光功率和激光通過次數(shù)的影響。結果總結如下：

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

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

這項研究還表明，所研究的獨立參數(shù)驅(qū)動薄壁零件側面的開孔和閉孔孔隙率。統(tǒng)計分析表明，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。