文丨小菲有点烦
编辑丨小菲有点烦
在激光粉床聚变（LPBF）过程中，薄壁制造面临着设计和潜在问题，因为快速冷却会导致热收缩和高残余应力。
薄壁制造的最小壁厚受到参数和机器设置的限制，而尺寸精确度受到粉末尺寸、扫描策略和零件几何的影响，对于换热器等应用，制造薄壁元件的能力很重要。
本研究使用 EOSM290LPBF机器 ，在不同加工条件和合金中制造了极端几何形状的薄壁，并探讨了LPBF工艺的性能。
结果显示，材料、零件设计和扫描策略是影响薄壁尺寸变化的因素之一，通过优化零件设计和加工条件，Ti-6Al-4V、INCONL718和ALS10MG的最大倾斜角和最小壁厚可增加约100倍。
研究还分析了零件设计和材料对薄壁热变形和表面光洁度的影响，并讨论了EOS软件分配的扫描模式对设计和制造的影响。
此外，通过使用 同步X射线显微成像 （VOSXCT）对薄壁结构的孔隙度进行量化，并与结构完整性相关联，提出了改进薄壁几何制造成功率的综合设计方针。
总之，零件设计和扫描策略对薄壁尺寸变化具有重要影响，通过优化零件设计和加工条件，Ti-6Al-4V、INCONL718和ALS10MG的最大倾斜角和最小壁厚可增加约100倍。
添加剂制造
添加制造是一种快速发展的技术，它通过将材料逐层连接在一起来制造零件，根据3D计算机辅助设计模型。
AM可以制造复杂的几何形状，提供了重要的 设计灵活性和轻量化要求 ，与传统制造相比，AM具有减少材料浪费和工装成本，缩短产品开发周期的潜力。
金属添加制造过程可以根据能源和原材料进行分类，常见的能源包括电弧、电子束和激光，而可用的原材料通常是粉末或金属丝，粉末床工艺是最成熟的金属添加制造技术之一。
在该工艺中，粉末从 粉末存储层或回收机 中沉积在建造板上，形成一层粉末层，然后根据输入的三维CAD模型的二维层剖面，选择性地熔化新的粉末层。
每次扫描之后，构建平台向下移动一个层厚的距离，为下一层粉末层的沉积提供空，这个过程重复进行，直到零件制造完成。
激光粉末床融合
粉末床融合工艺最适合制造 体积小、性能优良 的零件，与以电子束为能源的电子束粉床聚变工艺相比，激光粉床聚变可以使用较低的平台温度和较小的粉末尺寸，形成更精细的特征。
较低的平台温度减小了熔池的尺寸，较小的粉末尺寸提高了表面光洁度，并使得制造的层厚度更小。
因此，在当前的粉床融合制造技术中，选择 激光粉床聚变 ，来研究薄壁零件制造的下限是合适的。
然而，仍然存在一个重要问题，就是大的热梯度引起的快速冷却，会在新制造的激光粉床聚变零件中产生残余应力，因此适当的支撑结构和应力释放热处理是防止热变形的关键。
在激光粉床聚变工艺中使用的典型粉末具有球形形态，尺寸范围在 15-45微米 之间。
本研究主要涉及钛-6Al-4V、INCONEL718和AlSi10Mg合金的结果，EOSM290设备还可用于处理其他商用材料，例如不锈钢、马氏体合金和钴铬合金。
微型换热器
微型换热器被广泛应用于需要小型热能传输解决方案的领域，如微电子、航空航天、生物工程、汽车、制冷和空调。
传统制造微型换热器的方法包括 微加工、扩散结合、立体印刷或化学蚀刻 等，其中微加工和扩散结合是最常用的技术，因为它们可以应用于各种材料，具有较低的蚀刻响应和电导率。
微加工是一个过程，涉及 切割、变形和去除材料 ，以形成特定的薄金属板，随后扩散结合技术被用于在高温（约为材料熔化温度的0.5-0.8倍）和外部压力下将薄板连接在一起。
然而，由于结合界面通常较弱，容易出现裂纹和微小间隙，观察到扩散-粘合接头中离散的微小间隙，这可能导致疲劳裂纹的扩展。
利用AM技术，可以避免扩散结合产生的弱接口，并在双极制造过程中实现新的优势。
例如AM技术通过允许更复杂的结构设计，如改进的 双极设计、格子结构和嵌入式冷却通道 ，提供了更大的灵活性。
传热率和压降 通常被用来评估双极的性能，研究表明，在将飞机油冷却器从传统制造方式转换为AM后，传热率提高了约10%。
AM零件表面粗糙度对控制压降的摩擦系数有影响，因此了解薄壁几何形状和工艺参数对制造结果表面的影响非常重要。
多孔的影响
孔隙度对于 AM零件的结构完整性 具有严重影响，在粉末材料的AM工艺中几乎是不可避免的。
对孔隙度进行定量化是评估工艺参数、确定适当的后处理步骤以及根据安全要求评估零件质量的重要因素。
尽管过去的研究已经检查了大量 样品和粉末 的孔隙度，但在AM薄壁零件中的孔隙度仍未被深入探索。
在以粉末为原料的AM工艺中，孔隙可以分为加工缺陷和原料缺陷，加工产生的孔隙可能是由于融合不足而造成的缺陷，或者是由于键孔问题而产生的。
非熔化孔隙通常呈非球形 ，存在于熔体轨迹或层之间，这是由于激光功率不足或熔体轨迹重叠不足而导致部分粉末未完全熔化。
键孔孔隙呈球形，通常出现在熔池底部附近，当不稳定的键孔模式导致气腔塌陷时发生。
原料缺陷是源自 粉末中包裹的气体原子化过程后形成的孔隙 ，包裹气体孔隙通常呈球形，其大小可能受到粉末粒度分布的限制。
实验方法
CAD设计中的每个薄壁都在MaterialiseMagics中准备成单独的零件文件，采用单独的文件准备策略是为了研究不同的工艺参数，并控制构建顺序，以避免相邻部件之间的热积聚。
此外，如果在构建过程中某个零件出现故障，这种策略 允许终止该特定零件的制造 ，从而最小化因残骸引起的进一步损坏。
尽管在这项工作中使用了EOSM290，但这些制造原则可以应用于任何LPBF过程，特别是在测试加工条件和设计极限时。
通过使用不同的 合金、参数和设计 ，探索了LPBF过程的较低制造极限，其中制造了薄壁，图中显示了具有三种不同壁体几何形状的薄壁群体的配置。
一系列具有不同厚度的垂直薄壁，被排列在2毫米厚的基底上，经过电火花加工切割后，可以保持群体的完整性。
这些壁体宽40毫米，高15毫米，之间的间距为2毫米，以最小化来自相邻扫描的热量，倾斜壁体相对于垂直壁体旋转了 30°、45°和60° 。
我们发现，在具有100到500微米厚度的Ti-6Al-4V的悬挑结构中，1毫米的支撑物固定了所有开放边缘和中心线，以最小化热变形的风险。
我们采取了额外的预防措施，以避免可能的制造故障，使用软刷覆盖器刀片，以最小化薄壁在粉末扩散过程中受到的外部力。
群体以构建方向旋转了10°，以使薄壁结构的较长边不与扩散方向对齐，这种旋转可以防止当部件因与覆盖器刀片接触而损坏时，残骸落回相同的熔融轨迹上。
这种事情发生的概率高，就会出现故障的零件，例如具有 极端几何形状和尺寸 的零件，被安排在氩气流的下游，并朝着扩散方向的末端，以最小化残骸可能引起的次要损害。
使用标准的EOSTi-6Al-4V、Inconel718和AlSi10Mg粉末，其预热温度分别为35°C、80°C和200°C。
制造
第一台Ti-6Al-4V薄壁结构的构建由于 严重的热变形而导致失效 ，失效分析表明，薄壁和其支撑的CAD模型重叠不足，在制造过程中导致未完全融合的缺陷出现。
正如本章所述，即使墙体得到适当的支撑，Ti-6Al-4V薄壁结构仍会发生变形，如果没有适当的支撑锚定，独立的薄壁结构将会受到更严重的变形，最终导致构建失败。
这个问题在后续的构建中得到了解决，方法是确保魔幻软件中 薄壁结构与支撑之间的重叠 。
我们通过在工艺图上绘制用于薄壁结构制造的所有参数，给出了参数选择的示例，标签突出了在本研究中使用的具体功率和速度组合下的最小壁厚和最大倾斜角。
例如标签"101µm"表示最小壁厚为101µm，最大倾斜角为60°，正如本章所述，当墙体的CAD模型薄于过渡厚度时，软件会从 栅格模式切换为单头模式 。
尽管如此，使用标记为栅格模式的参数集，所实现的最小壁厚，是基于使用350µm厚度的CAD模型所得出的结果。
为了确保在 单珠扫描模式 下，拥有足够大的熔池尺寸以制造薄壁结构，不可避免地会有一些选定的参数落在钥匙孔区域。
成功地使用高能量参数，扩大了用于薄壁制造的过程窗口，尽管存在产生孔洞的风险，我们的资料给出了钥匙孔边界作为在选择参数时的参考。
然而，需要认识到这些参数是在与较薄特征相比热条件大相径庭的 散装样品 上测量的，在实际制造过程中，由于周围粉末床的导热系数较低，热量在薄壁内堆积更多。
由于一些墙壁是在低能量设置下成功构建的，因此可以进一步利用熔断区域的参数，来减小最小墙体尺寸。
然而，存在的风险是 熔池尺寸过小 ，无法重熔已经凝固的金属，一些ALS10mm的故障案例就是这种情况之所示，当熔池深度接近层厚时，会出现不完全重熔的情况。
本研究探讨了LPBF工艺中制造薄壁结构的制造极限，并提出了一些改进策略。
通过合理的材料选择、优化的零件设计、适当的扫描策略和孔隙度控制，可以提高薄壁结构的成功制造率。
未来的研究可以进一步优化工艺参数，探索新的材料，以实现更加 精细和复杂的薄壁结构的制造 ，从而扩大LPBF工艺的应用领域。
此外，对于一些关键应用，如航空航天和医疗器械，还需要更多的结构完整性和性能评估研究，以确保薄壁结构的可靠性和安全性。