激光粉末床熔融技术中工艺和几何参数对Ti-6Al-4V体心立方晶格结构残余变形的影响 丨AMF论文推荐

引用论文

Yupei Tian, Jian He, Huilin Ren, Xinmeng Zha, Kaijie Lin, Mingdong Zhou, Yi Xiong. Effect of Process and Geometric Parameters on Residual Distortion of Ti-6Al-4V Body-Centered Cubic Lattice Structures in Laser Powder Bed Fusion. Additive Manufacturing Frontiers, Volume 3, Issue 4, 2024, 200170.

https://doi.org/10.1016/j.amf.2024.200170.

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1研究背景及目的

激光粉末床熔融技术（Laser Powder Bed Fusion, LPBF）的出现为制造复杂设计的轻量化结构提供了一种传统方法难以实现的有效解决方案。然而，具有独特中空特征的晶格结构在LPBF过程中面临较大的制造挑战和显著的变形。本研究填补了关于使用LPBF制造的体心立方晶格结构中残余应力产生机制的研究空白，并探讨了影响残余变形的主要因素及其与实体结构不同的影响规律。

2论文亮点

（1）通过非接触式坐标测量仪测量了悬臂梁结构从构建基板上移除后的残余变形。

（2）探究了使用LPBF制造体心立方晶格结构中残余应力产生机制。

（3）研究了几何高度、点阵杆径、扫描方式以及激光功率对悬臂梁结构残余变形的影响规律。

（4）分析了晶格结构残余变形与实体结构影响因素及规律性不同的原因。

图 1. (a) 体心立方晶格填充悬臂梁结构示意图。变量 "h "表示臂厚度，即不含支柱的悬臂梁高度。晶格杆径表示晶格单半径的厚度；（b）两类扫描策略示意图。

图 2. 晶格结构中残余应力的产生机制有两个过程：新层受热时的热膨胀和热源移除后的收缩。该产生机制通过正视图和俯视图显示。

3试验方法

通过LPBF技术，使用不同的激光功率和扫描策略，制造了具有不同几何高度和杆径尺寸的体心立方晶格悬臂梁结构。这些悬臂梁结构采用了之前研究中常用的基准设计，以研究零件的残余变形。通过使用非接触式坐标测量机（Faro-arm），测量了晶格悬臂梁结构从建筑基板上移除后的残余变形。研究探讨了悬臂梁的几何高度、晶格杆径尺寸、扫描策略和激光功率对体心立方晶格结构残余变形的影响因素。

图 3. 采用LPBF工艺制造的悬臂梁结构（a）切割前（b）切割后；（c）测量变形的 Faro-Arm；（d）Faro-Arm 扫描后悬臂梁结构的点云测试图；（e）重复测试点位置和变形定义。

4结果

（1）与实体结构相比，晶格结构由于其独特的中空特性，产生了较大的温度梯度，从而导致更大的残余应力和变形。

（2）晶格结构由于其特殊的椭圆形打印区域，导致扫描策略的影响规律不同于实体结构。45°扫描线产生的变形最大，大约是最小变形的2倍。与实体结构相比，67°旋转扫描策略对晶格结构中残余应力的累积影响较小。

（3）晶格结构的残余变形随晶格杆径的增加而增大。而随着几何高度的增加，由于刚度增强，残余变形减小。

（4）与实体结构不同，晶格结构的打印区域更小且更分散，因此激光功率的变化对残余应力和变形的影响较小。

图 4. 不同扫描策略对臂厚度为 (a) 8 mm和 (b) 10 mm的悬臂梁变形量的影响；（c）晶格结构切片层中实际打印区域示意图；红色虚线框表示一个单胞的打印区域；（d）不同扫描策略下晶格结构中的实际扫描路径。

图 5. (a) 晶格杆径（体积分数）与变形量之间的相关性；(b) 晶格杆径与实际打印面积之间的关系。

图 6. (a) 悬臂梁结构臂厚度与变形量之间的关系；(b) 不同臂厚度下激光功率与变形量之间的关系。

5结论

本研究填补了关于使用LPBF制造的体心立方晶格结构中残余应力产生机制的研究空白。此外，还分析研究了影响残余变形的主要因素以及与实体结构不同的影响规律。结果表明，增加几何高度、减小晶格杆径和采用具有层内0°或90°旋转扫描线的扫描策略可以有效减少残余变形。45°旋转扫描线的扫描策略产生的残余变形最大，大约是最小变形的2倍。同时，由于晶格结构的打印区域较小且分散，激光功率对晶格结构的残余变形影响很小。

6前景与应用

晶格结构是一种典型的轻量化设计，最大限度地减少了材料的使用，同时提高了强度和稳定性，使其成为航空航天、汽车和生物技术等重量敏感行业的理想选择。通过揭示晶格结构中残余应力的产生机制及其残余变形的影响因素，可以提高通过激光粉末床熔融技术制造的成功率和品质，从而大大增强其应用潜力。

关于团队

作者介绍

熊异（通讯作者），南方科技大学系统设计与智能制造学院助理教授，博士生导师，深圳市海外高层次人才, 珠江人才计划创新创业团队核心成员。2016年获芬兰阿尔托大学工程设计与制造专业博士学位。2016年至2020年，历任比利时法兰德斯制造研究所长聘工程师、新加坡科技与设计大学数字制造和设计中心研究员（二级）, 参与多项工业级增材制造软硬件系统的开发。长期从事智能增材制造与机械优化设计交叉领域研究，当前研究方向包括：智能化设计与制造、复合材料增材制造、面向增材制造的设计、智能材料与结构。作为技术骨干，参与完成多项由欧盟第七框架，新加坡国家研究基金会，比利时法兰德斯科技创新局，芬兰科学院资助的项目，在Nature Communications、Additive Manufacturing 等国际学术期刊上发表论文近50篇。担任Composites Communications 和Journal of Engineering Design 等客座编辑, AMF青年编委，Engineering Reports青年编委，IEEE-ASME T MECH等国际期刊审稿人和比利时VLAIO基金评审专家。目前承担有科技部重点研发计划项目课题、国家自然科学基金青年项目、广东省自然科学基金面上项目、广东省普通高校重点领域专项（高端装备制造）、深圳市科创委面上项目等多项。

团队研究方向

1. 机械设计学：

面向增材制造的设计优化、 复杂工程产品的设计理论与方法

2. 智能制造系统与产品：

复合材料增材制造、 自适应工艺规划

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作 者：田雨沛

责任编辑：李 娜

责任校对： 金 程

审 核： 张 强

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