扫描速度、离焦量和支撑设计对SLM的影响分析

林璠 上海电机学院 文理学院

引言

激光选区熔化成型（selective laser melting， SLM）是通过高能束激光的热效应，使粉末选择性焰化，实现三维复杂精密零部件的直接制造。由于粉末处于静止状态可起到辅助支撑作用，几乎可以制造任意复杂形状金属零部件，是最近热门的新型激光成型技术。

影响SLM成型效果的影响因素很多，本文选取了激光扫描速度、离焦量和支撑设计三个重要工艺参数。参考国内外学者发表的相关文献，分析这些工艺参数对SLM成型件的致密度、力学性能、缺陷以及尺寸精度的影响。

1 激光扫描速度的影响

Zhang L C等人对生物医用合金Ti24Nb4Zr8Sn的SLM成型开展了研究。结果表明，随着扫描速度的降低，成型件的致密度和显微维氏硬度不断增大。Sun D S等人的研究表明随着扫描速度的增加，D6AI4V粉末成形件的表面形貌发生了明显的变化。清晰均匀的凝固表面变得杂乱无序， 成型件的拉伸性能也随之降低。这些结果显示扫描速度较小时，金属粉末基本上会充分熔化，无明显缺陷产生，而由于金属材料良好的导热性，熔池的温度梯度也会相应较小，残余应力较小。而若扫描速度过大，粉体材料的加热时间就会减少，导致吸收热量不足，可能导致部分材料熔化不充分甚至未熔化，制备出的材料的就会有缺陷。当内应力较大时，会在缺陷处形成应力集中，应力过大就会产生裂纹。

张晓刚等人研究发现SLM纯铜成型件尺寸的绝对误差随扫描速率的增大而减小。扫描速率决定了激光束与粉体的接触时间。低速扫描时激光光斑与材料粉末表面的接触时间长，使得粉末颗粒吸收较多热量并被熔化，形成足够的液相并向周围蔓延，熔池尺寸大，熔道较宽，尺寸误差大。扫描速率增加后，激光束与金属粉层表面的接触时间缩短，粉体熔化后，液相尚未向四周蔓延就迅速冷却凝固，导致熔池尺寸小，熔道较窄，尺寸误差小。这说明在影响材料结构和力学性能的同时，扫描速度还会影响零件的误差。

2 离焦量

钱雪立也分析了离焦量对SLM成型镍基合金结构的单道成形质量的影响。实验设定的离焦量从-3mm到+3mm，研究其对探究熔道尺寸的影响。当离焦量为负值时，基体上有少量已熔化的合金粉末。当离焦量由负转正后，熔道成型效果也相应转好，当离焦量为0 时，成型效果最佳。

Rashid等人研究了离焦量对于A1SH2粉末 SLM成形件表面质量的影响，得到了不同的结果。在-7mm至+4mm的范围内，综合表面粗糙度、维氏硬度以及表面孔隙率等三个参数，当离焦量等于-3mm时，成型件的表面质量最好。Gao等人研究了 SLM成形Ti40Al9V0.5Y合金时离焦量对单道成形质量的影响。随着离焦量由0增至2.3mm和3.4mm，单道熔道的宽度随之增加，深度逐渐减少；由于激光体能量密度的降低，熔道中出现裂缝的可能性也随之增大。这些实验结果表明不同材料其对应的最佳离焦量值并不相同，要综合多因素考量。

3 支撑设计

支撑设计可以保证加工过程的稳定性和零件的精确定位，其功能可等同于传统机械加工中的装夹工具，同时也可提高零件成型精度，防止零件产生翘曲变形。支撑按照形状一般分为诸多类型，不同类型的支撑对成型精度有不同的影响。操作过程中应按照形状选用不同的支撑类型。

那么在操作过程中支撑密度是不是越大越好呢？杨雄文等人的实验结果表明对用于适圆形悬垂面的块网格支撑而言：在进行支撑添加时，要注意支撑添加的密度，太大或太小都不恰当。支撑添加的太密，支撑强度过高，去除支撑的难度会加大，容易损伤成型件下表面质量，使零件尺寸有偏差。而支撑密度不足，在支撑起不到定位支撑的作用，会影响到成型件的精度，容易导致零件翘曲甚至在加过过程中被拉断。所以，合理的支撑密度，才能保证零件的精度。

4 总结

SLM通过高能束激光的热效应，使粉末选择性焰化，可以直接制造复杂的精密零件，可广泛应用于多个领域。本文选取了激光扫描速度、离焦量和支撑设计三个重要工艺参数。参考国内外学者发表的相关文献，分析这些工艺参数对SLM成型件的影响。根据实验结果的分析，得到的结论是（1）激光扫描的速度在影响材料结构和力学性能的同时，还会影响零件的误差；（2）从各个实验组的结果看，最佳离焦量值依材料而定，不会偏离0值太多；（3）合理的支撑设计和密度，才能保证零件的精度。