Влияние лазерной мощности и скорости сканирования на качество деталей Dml

Селективное лазерное плавление (SLM), часто называемое в промышленных контекстах прямым металлическим лазерным спеканием (DMLS), выступает в качестве одной из самых мощных технологий аддитивного производства для производства полностью плотных, функциональных металлических компонентов. В отличие от процессов сплава порошкового слоя, которые полагаются на связывание или частичное плавление, SLM / DMLS использует мощный лазер для полного плавления частиц порошка металла слой за слоем, создавая детали, которые конкурируют или превосходят свойства тех, которые сделаны обычным литьем или обработкой. Однако достижение согласованного высокого качества далеко не автоматическое; Среди этих параметров мощность лазера и скорость сканирования являются двумя наиболее влиятельными ручками. Их взаимодействие определяет геометрию бассейна расплава, тепловые градиенты, поведение затвердевания и, в конечном счете, механическую целостность, отделку поверхности и точность размеров каждой детали. Эта статья обеспечивает углубленный анализ того, как мощность лазера и скорость сканирования влияют на качество деталей DMLS, объясняет физику общих дефектов и описывает проверенные стратегии оптимизации параметров.

Основы лазерной мощности и скорости сканирования

Лазерная энергия и ее роль в плавлении

Лазерная мощность - это выходная энергия лазерного источника, обычно измеряемая в ваттах (W). В машинах DMLS эта мощность колеблется от около 100 Вт для систем лабораторного масштаба до более 1000 Вт для промышленных установок. Основная функция лазера - поднять температуру металлического порошка выше его точки плавления и поддерживать стабильный бассейн плавления. Более высокая мощность лазера обеспечивает больше энергии на единицу площади, позволяя плавить материалы с высокой теплопроводностью (например, алюминий, медь) или высокие точки плавления (например, титановые сплавы, инструментальные стали). Когда мощность слишком низкая, порошок может только частично расплавиться, что приводит к недостаточной связи между слоями - состояние, известное как отсутствие пористости синтеза. И наоборот, чрезмерная мощность лазера может испарять материал, генерировать выброс расплавленных капель или вызывать глубокие, нестабильные бассейны плавления, которые улавливают газ и создают пористость замочной скважины.

Сканирование скорости и динамика бассейна

Скорость сканирования — это скорость, с которой лазерный луч перемещается по порошковому ложу, выраженная в миллиметрах в секунду (мм/с) или иногда метрах в секунду. Он непосредственно управляет временем взаимодействия между лазером и порошком. При медленных скоростях сканирования лазер остается над каждой точкой дольше, позволяя большему количеству тепла проводить в основной материал. Это способствует полному плавлению и снижает риск неплавких частиц, но также увеличивает время сборки и может привести к перегреву, чрезмерным зонам, подверженным тепловому воздействию, и накоплению остаточного напряжения. Быстрые скорости сканирования увеличивают производительность, но уменьшают плотность энергии; если скорость слишком высока, порошок может не достичь полной температуры плавления, что приводит к плохой адгезии слоя и повышенной пористости. Оптимальная скорость сканирования лежит в окне, где бассейн расплава стабилен и вход энергии достаточен, не вызывая нестабильности.

Концепция объемной плотности энергии (VED)

Чтобы понять комбинированный эффект мощности лазера и скорости сканирования (наряду с другими параметрами, такими как толщина слоя и расстояние между люками), инженеры часто используют уравнение объемной плотности энергии (VED):

VED (J/mm3) = лазерная мощность (W) / (скорость сканирования (mm/s) × толщина слоя (mm) × патч (mm))

VED обеспечивает единственное число, которое представляет количество энергии, подаваемой на единицу объема материала. Хотя это полезная эвристика, важно признать, что VED сам по себе не может предсказать качество детали, потому что он не учитывает тепловую динамику, свойства материала или гауссовское распределение лазерного луча. Тем не менее, он предлагает отправную точку для исследования параметров: минимальный VED необходим для достижения полной уплотнения, в то время как верхний предел предотвращает образование замочной скважины и чрезмерное плавление. Многие опубликованные окна обработки для обычных сплавов - таких как Ti-6Al-4V, 316L нержавеющая сталь и Inconel 718 - выражаются в терминах диапазонов VED 1 .

Влияние на качество частей

Плотность и пористость

Плотность деталей является наиболее непосредственной метрикой качества, на которую влияет мощность лазера и скорость сканирования. Полностью плотная часть DMLS должна иметь относительную плотность выше 99,5% (часто превышающую 99,9%). Для достижения этого требуется комбинация параметров, которая полностью плавит каждый след порошка и позволяет бассейну расплава течь и заполнять пустоты. Недостаточная плотность энергии оставляет поры от неплавленных частиц и неполного связывания слоев. С другой стороны, чрезмерная плотность энергии может привести к тому, что газовые поры попадают в ловушку из-за сильной нестабильности замочной скважины. Связь между плотностью и (мощность, скорость) обычно образует «окно плотности энергии»: слишком мало энергии дает пористость, слишком много дает поры замочной скважины, а между ними лежит плато почти полной плотности. Например, в 316L нержавеющей стали обычное сладкое пятно составляет около 50-70 J / мм3 при использовании лазера 200 Вт и пятно пучка 80 мкм 2 .

Механические свойства

Механическая производительность деталей DMLS - прочность на растяжение, прочность на выходе, удлинение и твердость - тесно связана с микроструктурой, которая, в свою очередь, контролируется тепловой историей. Лазерная мощность и скорость сканирования определяют скорость охлаждения от расплава (обычно 103-106 К / с). Более быстрое охлаждение способствует более тонким микроструктурам (например, меньший размер зерна, более тонкие клеточные / дендритные структуры), которые могут увеличить прочность, но могут снизить пластичность. И наоборот, более медленное охлаждение (достигаемое с более высокой мощностью и более низкой скоростью сканирования) позволяет зернам грубеть, потенциально улучшая пластичность, но понижая прочность. Этот компромисс может быть выбран для компонентов, требующих высокой пластичности, в то время как высокоскоростной режим (с соответствующей мощностью) может давать высокопрочные детали без чрезмерной постобработки. Экспериментальные данные последовательно показывают, что оптимизация мощности лазера и скорости сканирования может производить механические свойства, которые соответствуют или превышают кованые аналоги 3 [

На точность измерения влияют как термоусадка, так и деформация. Когда мощность лазера высока, а скорость сканирования низка, образуется большой бассейн расплава, а зона, подверженная воздействию тепла, распространяется глубоко на предыдущие слои. Это приводит к большему тепловому сокращению при затвердевании, наращивая остаточные напряжения. Если эти напряжения превышают предел текучести материала при повышенной температуре, часть может сворачиваться (особенно в тонких особенностях) или даже трескаться на базовой пластине. И наоборот, слишком низкая мощность или слишком высокая скорость уменьшает тепловой вход, но в результате плохое межслойное соединение может вызвать расслоение во время сборки, искажая геометрию. Производители должны поэтому выбирать параметры, которые минимизируют остаточное напряжение, все еще достигая полной плотности. Предварительный нагрев базовой пластины (до 200 ° C для стали, 500 ° C для титана) может смягчить некоторые напряжения, но основное управление заключается в настройке скорости питания. Инструменты моделирования теперь доступны для прогнозирования искажений на основе выбранных параметров 4

Общие дефекты и их причины

Отсутствие суеты

Поры с неполным слиянием (LOF) представляют собой пустоты неправильной формы, которые являются результатом неполного плавления и недостаточной связи между соседними следами сканирования или последовательными слоями. Они являются наиболее распространенным дефектом, когда мощность лазера слишком низкая, скорость сканирования слишком высокая, или расстояние между лазерными проходами (разрыв между защелками) слишком велико. Поры LOF действуют как концентраторы напряжения, сильно снижая усталость и пластичность. В крайних случаях детали могут выйти из строя во время сборки из-за слабой межслойной адгезии. Средство простое: увеличение объемной плотности энергии, либо путем повышения мощности, снижения скорости, или уменьшения интервала люка.

Пористость кейхолов

Пористость кейхола возникает, когда лазер доставляет так много энергии, что он испаряет некоторый материал, образуя глубокую, узкую паровую полость. По мере движения лазера эта полость становится нестабильной и разрушается, захватывая пузырьки газа, которые затвердевают в виде сферических пор. Поры кейхола часто составляют несколько десятков микроскопических или рентгеновских компьютерных томографий. Хотя небольшие количества пористости кейхола могут быть приемлемыми для некритических применений, это, как правило, нежелательно, потому что это снижает усталостную прочность. Лекарство заключается в уменьшении мощности лазера или увеличении скорости сканирования, чтобы избежать превышения порога перехода кейхола.

Баллирующий эффект

Баллинг относится к образованию сферических капель или бусин на поверхности печатного слоя, что происходит, когда бассейн расплава не мочит подложку должным образом. Это явление обусловлено потоком Марангони и поверхностным натяжением, и оно усугубляется низкой плотностью энергии и высокой скоростью сканирования. Баллинг создает грубую, неровную поверхность, которая может мешать ограждению следующего порошкового слоя, что приводит к кумулятивным дефектам. Для подавления шаринга операторы могут увеличить мощность лазера (расплавить больше материала и улучшить смачивание) или уменьшить скорость сканирования. Типичным фиксом является пребывание в пределах VED 40-80 J / мм3 для большинства сталей.

Трещина и расслоение

Трещины могут возникать во время ДМЛС либо как затвердевание трещин (горячее разрывание), либо как холодное растрескивание из-за остаточных напряжений. Высокая мощность лазера и низкая скорость сканирования производят большие тепловые градиенты и более интенсивные зоны, подверженные тепловому воздействию, что увеличивает риск затвердевания трещин в сплавах с широкими диапазонами затвердевания (например, некоторые алюминиевые сплавы, никель-базовые суперсплавы). И наоборот, расслоение между слоями чаще встречается, когда плотность энергии слишком низкая: верхний слой не переплавляет достаточно предыдущего слоя для создания металлургической связи, и часть может отделяться во время охлаждения. Правильный баланс скорости мощности должен быть адаптирован к чувствительности трещины сплава. Во многих случаях умеренный VED со стратегией сканирования, которая уменьшает тепловые градиенты (например, сканирование шахматных островов) помогает предотвратить растрескивание.

Стратегии оптимизации

Параметры Sweep Experiments

Наиболее надежным способом найти оптимальную мощность лазера и скорость сканирования для данного материала и машины является запуск проверочной проверки параметров. Это включает в себя создание серии небольших тестовых купонов (часто кубов или прямоугольных призм) с систематически различными значениями мощности и скорости, сохраняя при этом другие параметры (толщина слоя, интервал между люками, рисунок сканирования) постоянными. Затем купоны оцениваются по плотности (через метод Архимеда или поперечную микроскопию), шероховатости поверхности и механическим свойствам (жесткость, растяжение, если это возможно). Полученная карта данных показывает «окно процесса» - область в пространстве скорости мощности, где плотность превышает 99,5% и дефекты минимальны. Для промышленного производства это окно затем проверяется полноразмерными компонентами.

Дизайн экспериментов (DoE)

Вместо того, чтобы тестировать каждую комбинацию по отдельности, статистические методы проектирования экспериментов (DoE), такие как центральные композиционные конструкции или факторные конструкции, позволяют эффективно характеризовать. DoE также может идентифицировать взаимодействия между параметрами (например, эффект мощности может зависеть от скорости нелинейным образом). Методология поверхности отклика затем генерирует математическую модель, которая прогнозирует качество детали как функцию мощности и скорости. Эта модель может использоваться для многообъективной оптимизации - например, максимизация плотности при минимизации шероховатости поверхности и времени сборки. Многие коммерческие машины DMLS теперь поставляются с предварительно оптимизированными наборами параметров на основе исследований DoE, но пользовательские материалы или нишевые сплавы все еще требуют внутреннего DoE.

Моделирование и моделирование

Моделирование конечных элементов и вычислительной динамики текучей среды (CFD) все чаще используется для прогнозирования геометрии бассейна расплава, тепловой истории и распределения остаточного напряжения без создания физических частей. Эти модели используют мощность лазера, скорость сканирования, диаметр луча и свойства материала в качестве полей входных и выходных температур, скорости охлаждения и даже вероятности образования дефектов. Хотя моделирование еще недостаточно точно, чтобы полностью заменить эксперименты, они значительно сокращают количество экспериментальных испытаний. Запустив виртуальные подметания параметров, инженеры могут быстро идентифицировать перспективные комбинации, а затем только тестировать несколько для подтверждения. Доступны открытые источники и коммерческие тепловые симуляторы, такие как платформы 3DExperience или автономные инструменты, такие как PBF-Sim.

Мониторинг и адаптивный контроль in-Situ

Современные системы DMLS интегрируют датчики, которые контролируют сигнатуру плавильного бассейна в режиме реального времени - либо с помощью фотодиодов, камер (видимых или инфракрасных), либо тепловизионного. Эти датчики фиксируют интенсивность, размер и форму бассейна расплава. Соотнося эти сигналы с качеством деталей, производители могут разрабатывать петли обратной связи, которые регулируют мощность лазера или скорость сканирования на лету для поддержания согласованных условий плавления даже при изменении плотности порохового слоя. Например, если бассейн расплава кажется слишком маленьким (предполагая недостаточное плавление), контроллер может на мгновение увеличить мощность или уменьшить скорость. Этот адаптивный подход все еще появляется, но обещает сделать DMLS более надежным в больших сборках и переменных свойствах порошка.

Передовые соображения

Материально-специфический параметр Windows

Каждый металлический порошок обладает уникальной теплорастворимостью, диапазоном плавления и восприимчивостью к образованию дефектов. Например, Ti-6Al-4V подвержен остаточному напряжению и растрескиванию, поэтому он обычно обрабатывается с умеренной мощностью (200-400 Вт) и умеренной скоростью (800-1200 мм / с). Алюминиевые сплавы (например, AlSi10Mg) имеют высокую теплопроводность, требуя более высокой мощности (300-400 Вт) и более медленных скоростей (500-800 мм / с) для поддержания расплавленного бассейна. Инструментальные стали (H13, M2) могут обрабатываться с высокой мощностью и относительно быстрыми скоростями, чтобы избежать чрезмерной нагревки. Поэтому производители должны проконсультироваться с литературой или провести специальные исследования для новых сплавов. Стандарт ASTM F3001-14 обеспечивает руководящие принципы для квалификации параметров в аддитивном производстве 5 .

Толщина слоя и хэтч

Толщина слоя - обычно 20-60 мкм - определяет объем порошка, который должен быть расплавлен за проход. Более толстые слои требуют либо большей мощности, либо меньшей скорости для достижения того же VED. Аналогичным образом, расстояние между люками люка (расстояние между параллельными линиями сканирования) влияет на перекрытие между соседними следами расплава. Слишком большое расстояние между люками оставляет нерасплавленные промежутки; слишком малые вызывают чрезмерный разогревание и снижение производительности. Оптимальное расстояние между люками часто составляет примерно 60-80% от ширины бассейна расплава. При оптимизации мощности и скорости критически важно также регулировать расстояние между люками и толщину слоя для поддержания согласованного распределения плотности энергии по части.

Структуры поддержки и регионы навеса

Поверхности (свесы) снизу по своей природе являются сложными, потому что порошок ниже обеспечивает плохую теплопроводность. Без опор плавильный бассейн может провисать или даже разрушаться. В этих регионах обычно используется уменьшенная мощность лазера или увеличенная скорость сканирования для ограничения размера плавильного бассейна, предотвращая просачивание. Многие программы управления машиной позволяют пользователям определять различные параметры для контура против люка и для разных областей сборки. Для свесов типичная корректировка заключается в уменьшении мощности лазера на 20-30% и увеличении скорости сканирования на 10-20% по сравнению с объемными параметрами. Это снижает входную энергию локально, но необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать отсутствия сплава в этих областях. Некоторые передовые стратегии используют импульсное сканирование или меньшую интенсивность луча на краях свеса.

Послепроцессорные последствия

Выбор мощности лазера и скорости сканирования также влияет на операции по нисходящему потоку. Части, произведенные с высокой плотностью энергии, как правило, имеют более грубую поверхность, требующую более обширной постобработки. Если параметры приводят к высоким остаточным напряжениям, отжига с помощью напряжения может потребоваться перед удалением опор, чтобы избежать искажения. Например, детали Inconel 718, изготовленные с высокой мощностью, могут нуждаться в двухступенчатой термообработке (отжиг раствора + старение) для восстановления пластичности. И наоборот, наборы параметров с низкой энергией могут производить детали с меньшим остаточным напряжением, но более высокой пористостью, что может потребовать горячего изостатического прессования (HIP) для закрытия внутренних пустот. Комплексная оптимизация учитывает не только качество, но и общую стоимость и время цикла, включая постобработку.

Заключение

Лазерная мощность и скорость сканирования являются основными рычагами, которые определяют качество деталей, производимых прямым лазерным спеканием (DMLS) и селективным лазерным плавлением. Их взаимодействие регулирует объемную плотность энергии, которая, в свою очередь, контролирует стабильность плавильного бассейна, образование дефектов, микроструктуру, механические свойства, отделку поверхности и точность размеров. Достижение высококачественных, надежных компонентов требует преднамеренного процесса оптимизации: начиная с VED в качестве руководства, выполнения проверочных операций параметров (часто с использованием DoE), проверки с помощью физического тестирования и использования моделирования и мониторинга на месте для точной настройки производительности. В то время как каждый материал и машина требуют своих собственных конкретных настроек, принципы, изложенные здесь, обеспечивают прочную основу для понимания того, как регулировать мощность лазера и скорость сканирования, чтобы разблокировать весь потенциал технологии DMLS. По мере того, как отрасль движется к более крупным сборкам, более высокой пропускной способности и более жестким требованиям к качеству, владение этими фундаментальными параметрами останется необходимым как для инженеров аддитивного производства, так и для исследователей.