選區(qū)激光熔化支撐結(jié)構(gòu)添加有限元仿真分析

宋德華 吉康 吳丙哲 白倩

摘要：選區(qū)激光熔化在成形過(guò)程中由于快速熔化和凝固產(chǎn)生的熱應(yīng)力及固態(tài)相變效應(yīng)等導(dǎo)致的熱變形甚至開(kāi)裂對(duì)零件性能影響巨大。通過(guò)對(duì)典型零件支撐添加來(lái)減少零件變形對(duì)選區(qū)激光熔化技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。以螺旋槳構(gòu)件為典型零件，建立了選區(qū)激光熔化過(guò)程有限元模型，預(yù)測(cè)了零件成形過(guò)程中的殘余應(yīng)力和變形;根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果確定易變形區(qū)域，研究了錐狀支撐對(duì)典型零件變形的影響，通過(guò)“仿真計(jì)算一支撐添加一再次仿真計(jì)算”的方式確定了零件選區(qū)激光熔化支撐添加合理性，有限元結(jié)果表明：合理添加錐狀支撐將螺旋槳傾斜度最大葉片變形有效地降低71.4%;并通過(guò)SLM實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了有限元仿真結(jié)果。

關(guān)鍵詞：選區(qū)激光熔化;有限元分析;殘余應(yīng)力;支撐結(jié)構(gòu)添加

中圖分類號(hào)：TN24

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-9492f 2022）02-0063-03

0 引言

選區(qū)激光熔化技術(shù)（ Selective Laser Melting，SLM）作為增材制造技術(shù)中的重要分支[1]，較激光近凈成形技術(shù)而言，具有高性能和復(fù)雜零件成形的優(yōu)勢(shì)[2]。然而，SLM過(guò)程中金屬粉末快速熔化與凝固會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致零件的翹曲等變形，阻礙了SLM工藝的進(jìn)一步應(yīng)用。而SLM制造復(fù)雜零件時(shí)，變形等缺陷[3]常產(chǎn)生于具有如懸垂、薄壁[4-5]和具有特殊幾何特征處，需要在零件局部區(qū)域添加支撐結(jié)構(gòu)作為輔助手段，從而保證成形過(guò)程順利進(jìn)行，避免因零件變形而造成卡刀從而導(dǎo)致零件成形失敗。支撐結(jié)構(gòu)在SLM過(guò)程中有重要作用，通常采用點(diǎn)狀支撐、網(wǎng)狀支撐等[6]，可銜接成形區(qū)域和未成形區(qū)域，起到強(qiáng)化過(guò)渡作用[13]，保證成形件的受力平衡，防止成形件孤立區(qū)域由于自身重力而坍塌。因此，添加復(fù)雜零件的支撐結(jié)構(gòu)對(duì)保證零件的使用性能具有重要作用。曹冉冉等人[7]提出曲面傾斜角α決定是否添加支撐結(jié)構(gòu)，同時(shí)提出幾個(gè)相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)用來(lái)計(jì)算傾斜角度。Wang[8]等人通過(guò)研究掃描速度、傾斜角度等因素來(lái)提高懸垂結(jié)構(gòu)表面質(zhì)量，研究發(fā)現(xiàn)：掃描速度與傾斜角度越小，懸垂結(jié)構(gòu)表面越易翹曲，且隨激光功率增加而翹曲程度增大。華南理工大學(xué)盧建斌[9]利用SLM技術(shù)成形了激光熔覆噴嘴，利用支撐的方式解決了懸垂結(jié)構(gòu)的易變形問(wèn)題。

SLM過(guò)程中，熱應(yīng)力的分布及大小取決于零件幾何形狀[10】、材料特性（如熱膨脹系數(shù)、彈性模量、屈服強(qiáng)度等）[11]、掃描策略[12]以及粉末層厚度[13]。金屬粉末在激光加熱的作用下，會(huì)迅速熔化光斑內(nèi)的粉末層，使凝固相發(fā)生熱膨脹。當(dāng)激光光斑移動(dòng)加熱時(shí)，已加熱熔化的區(qū)域開(kāi)始冷卻和收縮。同時(shí)，這種收縮受到金屬材料自身的約束，在已熔化區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生拉伸殘余應(yīng)力。大多數(shù)已加熱熔化粉末與周圍的粉末將經(jīng)歷一個(gè)二次熔化和二次凝固的循環(huán)。該循環(huán)逐層沉積時(shí)，壓應(yīng)力持續(xù)積累與零件內(nèi)部，逐漸壓應(yīng)力與表面的拉應(yīng)力會(huì)達(dá)到新的平衡狀態(tài)。

因此，本文以螺旋槳構(gòu)件為典型零件，建立了選區(qū)激光熔化過(guò)程有限元模型，預(yù)測(cè)了零件成形過(guò)程中的殘余應(yīng)力和變形。基于螺旋槳原始有限元模型仿真結(jié)果，對(duì)螺旋槳構(gòu)件進(jìn)行支撐結(jié)構(gòu)添加以減小變形，并通過(guò)SLM試驗(yàn)驗(yàn)證有限元仿真結(jié)果。

1 SLM實(shí)驗(yàn)

本文中SLM成形實(shí)驗(yàn)采用流動(dòng)性較好的馬氏體不銹鋼粉末（ lCr12Ni3M02C02VN、6511），通過(guò)激光粒度儀Malvern Mastersizer 2000、超高分辨率場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡JSM-7900F獲得馬氏體不銹鋼粉末的粒徑分布與微觀形貌，如圖1所示。粉末粒徑大小主要集中在10-100 μm之間，平均粒徑為35μm。6511化學(xué)成分如表1所示。SLM成形實(shí)驗(yàn)中采用“島狀”激光掃描策略，如圖2所示;在SLM成形過(guò)程中該激光掃描策略可有助于減小零件的殘余應(yīng)力與變形[14]，相鄰兩層之間的掃描角度為90。，為避免SLM成形過(guò)程中零件被氧化，保證成形過(guò)程中的氧含量低于1.0%

本工作中所使用的實(shí)驗(yàn)儀器為日本沙迪克公司的增減復(fù)合制造機(jī)床Sodick OPM250L，如圖3所示。SLM成形過(guò)程中，需要持續(xù)地向成形腔內(nèi)充入惰性氣體，以防止燒結(jié)過(guò)程中試樣被氧化。增材過(guò)程采用651 1粉末成形螺旋槳構(gòu)件，6511粉末的SLM基礎(chǔ)成形實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)如表2所示。

2 典型零件SLM有限元模型建立

本論文以螺旋槳構(gòu)件為典型零件，螺旋槳的葉片分別為0°、9°、22°、36°四個(gè)不同的傾斜角度，分析傾斜角度對(duì)零件變形的影響。螺旋槳三維模型如圖4所示。采用有限元軟件MSC. Marc/mentat，以四面體網(wǎng)格劃分螺旋槳構(gòu)件來(lái)建立螺旋槳宏觀尺度有限元模型，四面體網(wǎng)格尺寸為Imm（高）X0.5 mm（寬）X0.5 mm。實(shí)驗(yàn)前設(shè)置粉末與基板的初始溫度為25。，且螺旋槳與基板均為6511馬氏體不銹鋼材料制成。

該有限元模型的溫度場(chǎng)熱傳導(dǎo)基本方程如式（1）所示[15]：

式中：參數(shù)T和t分別為溫度和時(shí)間;p、k和c分別代表密度、熱導(dǎo)率和比熱;Qv為體積熱源。

粉末的熱導(dǎo)率影響了成形過(guò)程中從熔池到粉末床再

6511馬氏體不銹鋼在降溫凝固過(guò)程中會(huì)發(fā)生馬氏體相變，而該固態(tài)相變會(huì)顯著影響成形零件的應(yīng)力狀態(tài)。因此，本文基于文獻(xiàn)[17]中的6511馬氏體不銹鋼相變模型，在SLM有限元模型中考慮了固態(tài)相變中的材料屬性轉(zhuǎn)變、相變體積效應(yīng)以及相變誘導(dǎo)塑性等的影響，實(shí)現(xiàn)SLM成形復(fù)雜零件的殘余應(yīng)力和變形預(yù)測(cè)。

3 支撐結(jié)構(gòu)添加

螺旋槳典型零件的支撐結(jié)構(gòu)添加是基于對(duì)無(wú)支撐添加的螺旋槳的有限元計(jì)算結(jié)果，仿真結(jié)果如圖5所示，根據(jù)有限元仿真云圖判斷在SLM成形過(guò)程中易變形危險(xiǎn)區(qū)域，原始模型中變形最大的區(qū)域在傾斜角度為36。的葉片上，即圓圈B處，變形幅值為0.21 mm;葉片隨傾斜角度增大而變形程度增加，是因?yàn)閮A斜角度越大的葉片，懸垂結(jié)構(gòu)特征越明顯，懸垂結(jié)構(gòu)不利于SLM成形過(guò)程中的熱量傳遞，熱量累積在葉片區(qū)域從而導(dǎo)致較大的變形。

因此根據(jù)有限元分析結(jié)果在傾斜角度為360的葉片上添加錐狀支撐結(jié)構(gòu)，其作用是輔助成形葉片過(guò)程中的熱量傳遞，防止熱量積累。錐狀支撐底部直徑為1.6 mm，如圖6所示?；谔砑恿酥谓Y(jié)構(gòu)的零件SLM模型開(kāi)展有限元計(jì)算，分析支撐結(jié)構(gòu)對(duì)零件變形的影響。

4 結(jié)果討論

圖7所示為螺旋槳構(gòu)件的支撐結(jié)構(gòu)添加流程和有限元計(jì)算云圖。如圖7 （b）、（c）所示，對(duì)比有無(wú)支撐添加支撐結(jié)構(gòu)的典型零件有限元計(jì)算云圖，仿真結(jié)果顯示，螺旋槳葉片整體變形幅值均有下降，尤其傾斜角度為36。的螺旋槳葉片變形值下降最為顯著，即易變形危險(xiǎn)區(qū)域變形幅值從0.21 mm降至0.06 mm，下降程度在70%以上，這是由于支撐的添加有利于成形過(guò)程中的熱傳遞，減小了SLM過(guò)程中的熱量累積，從而減少了熱應(yīng)力及固態(tài)相變導(dǎo)致的變形。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，采用生死單元技術(shù)去除支撐結(jié)構(gòu)，去除支撐后葉片內(nèi)部殘余應(yīng)力自平衡，零件變形幅值也隨之變化。從圖7 （e）去除支撐后仿真結(jié)果可以看出，零件的最大變形值為0.12 mm，小于不添加支撐情況下的變形值。根據(jù)有限元仿真結(jié)果確定支撐結(jié)構(gòu)及位置，在Sodick OPM250L機(jī)床上成形添加了支撐結(jié)構(gòu)的典型零件，如圖7 （f）所示，結(jié)果表明，在傾斜度36。的葉片上采用錐狀支撐結(jié)構(gòu)可以減小由于薄壁及大傾斜角度帶來(lái)的變形問(wèn)題，使得成形順利完成。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文利用有限元軟件MSC. Marc/mental建立了典型零件的選區(qū)激光熔化有限元模型，研究了無(wú)支撐條件下螺旋槳構(gòu)件SLM過(guò)程中由熱應(yīng)力與固態(tài)相變效應(yīng)引起的變形，根據(jù)有限元仿真結(jié)果獲得葉片變形危險(xiǎn)區(qū)域，即明確支撐添加區(qū)域;再基于有限元仿真計(jì)算結(jié)果添加錐狀支撐結(jié)構(gòu)并得到SLM實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，有限元仿真計(jì)算與添加合理形狀及位置的支撐結(jié)構(gòu)二者相結(jié)合，可達(dá)到預(yù)測(cè)SLM成形過(guò)程中殘余應(yīng)力與變形，以及顯著減小SLM成形中典型零件熱應(yīng)力及固態(tài)相變效應(yīng)導(dǎo)致的變形。

參考文獻(xiàn)：

[1]田杰，黃正華，戚文軍，等.金屬選區(qū)激光熔化的研究現(xiàn)狀[J].材料導(dǎo)報(bào)，2017，31（S1）：90-91.

[2]楊永強(qiáng)，陳杰，宋長(zhǎng)輝，等.金屬零件激光選區(qū)熔化技術(shù)的現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2018，55（1）：1-2.

[3] Boegelein T，Louvis E.Dawson K，et al.Characterisation of acomplex thin walled structure fabricated by selective laser meh-ing using a ferritic oxide dispersion strengthened steeI[J]. Materi-als Characterization.2016（1 121：30-40.

[4] Zhang A，Qi B，Shi B.et al.Effect of curvature radius on the re-sidual stress of thin-walled parts in laser direct forming[J]. TheIntemational Journal of Advanced Manufacturing Technology，2015.79（1-4）：81-88.

[5] Bartlett J L.Croom B P.Burdick J，et al.Revealing mechanismsof residual stress development in additive manufacturing via digi-tal image correlation[J]. Additive Manufacturing， 2018（22）： 1-12.

[6]王軍杰。光固化法快速成型中零件支撐及制作方向的研究[D].西安：西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，1997.

[7]曹冉冉，李強(qiáng)，錢波.SLM快速成型中的支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[J].機(jī)械研究與應(yīng)用。2015，28（3）：70-71.

[8] Wang D，Yang Y，Yi Z，et al.Research on the fabricating qualityoptimization of the overhanging surface in SLM process[J].The In-ternational Joumal of Advanced Manufacturing Technology，2013，65（9-12）： 1471-1484.

[9]盧建斌.個(gè)性化精密金屬零件選區(qū)激光熔化直接成型設(shè)計(jì)優(yōu)化及工藝研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2011.

[10] Furumoto T，Ogura R.Hishida K，et al. Study on deformation re-straining of metal structure fabricated by selective laser melting[J]. Joumal of Materials Processing Technology， 2017（245）：207-214.

[11] Cheng B，Shrestha S.Chou K.Stress and deformation evalua-tions of scanning strategy effect in selective laser melting[J]. Ad-ditive Manufacturing， 2016（12）： 240-251.

[12] Zaeh M F.Branner G.Investigations on residual stresses anddeformations in selective laser melting[J]. Production Engineer-ing， 2010， 4（1）： 35-45.

[13]李東方，基于激光選區(qū)熔化成型的支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化及工藝研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2017.

[14] Kruth J P，F(xiàn)royen L，Van Vaerenbergh J，et al. Selective lasermelting of iron-based powder[J]. Journal of materials processingtechnology， 2004. 149（1-3）： 616-622.

[15] Loh L E，Chua C K，Yeong W Y，et al. Numerical investigationand an effective modelling on the Selective Laser Melting （SLM）process with aluminium alloy 6061[J]. Intemational Joumal ofHeat and Mass Transfer， 2015（80）： 288-300.

[16] Raghavan A，Wei H L.Palmer T A.et al. Heat transfer and flu-id flow in additive manufacturing[J].Journal of Laser Applica-tions. 2013. 25（5）： 052006.

[17]吳丙哲.馬氏體不銹鋼選區(qū)激光熔化應(yīng)力及變形預(yù)測(cè)[D].大連：大連理工大學(xué)。2020.