LB-PBF工艺3D打印AlSi10Mg薄壁结构的数值和实验研究

薄壁结构在物理和工程的许多领域都有应用。激光粉末床熔融(LB-PBF) 能够制造自由形状，可以在单个生产步骤中轻松打印薄壁结构。然而，由于此类结构的特性以及侧面热应力的相互作用，出现裂纹和变形等缺陷的可能性很高。

铝合金在许多高价值LB-PBF应用中的使用越来越广泛。在候选的LB-PBF铝合金中，AlSi10Mg具有优异的机械和热性能，例如高强度重量比和高热扩散率。AlSi10Mg广泛应用于航空航天和汽车工业，用于生产散热器、外壳和进气歧管。这些高价值组件具有复杂的几何特征，例如薄平面壁、晶格单元和曲面，需要仔细的设计。AlSi10Mg的机械各向异性是构建方向的函数，在使用此方法进行组件设计期间需要考虑这一点。

薄壁结构的潜在工程应用包括：(a) 喷气发动机壳体，(b) 喷气发动机部件，(c) 涡轮泵排气出口，(d) 燃气轮机仪表化凸轮喷嘴

来自皇家墨尔本理工大学工程学院、澳大利亚科学技术研究、荷兰恩斯赫德特文特大学、弗劳恩霍夫先进制造创新平台以及迪肯大学工程学院的研究人员共同研究了激光功率、倾角和激光扫描次数对LB-PBF制备的薄壁结构尺寸（厚度）偏差、畸变和孔隙率的影响。

https://doi.org/10.1016/j.tws.2023.110814

（A）300W激光功率（B）400W激光功率显示激光功率对熔池宽度的变化可忽略不计

(A 和 B)粉末床和裸露基材上的温度分布，(C) 测量厚度和尺寸偏差的主效应图

研究上述参数有助于确定LB-PBF工艺打印AlSi10Mg薄壁结构的能力以及这些结构的可制造性。为了确定倾角、激光扫描次数和激光功率对尺寸偏差、变形和孔隙率的影响，进行全因子实验设计。为了讨论结果，进行了统计分析和模拟。使用计算流体动力学模拟了熔池的深度和宽度，然后根据薄壁的厚度对获得的熔轨尺寸进行分析以确认模拟的准确性。根据模拟结果对LB-PBF工艺在 薄壁结构打印生产中的相关流变特性进行了表征和讨论。

 (A–C) 基材上矩形管和喇叭形状的打印样品和俯视图，(D,E) 用于检查打印可行性的喇叭样品 (F) CAD 模型

在该研究中，首次以不同的倾角和激光通过次数对薄壁表面进行了经过实验验证的模拟和实验，以确定这些控制因素对尺寸偏差、变形和孔隙率的影响。薄壁结构的熔池现象通过材料的基本流变学方面和热物理性质来识别。针对这些感兴趣的条件对可制造性和孔隙率进行了量化，从而为薄壁结构在的3D打印应用提供了基本的现象学见解与实际设计数据。

由于这些结构的薄壁特性，特别是在使用传统制造工艺时，薄壁零件的生产很困难，例如需要半精加工和精加工各个步骤的机械加工。在本研究中，研究了 LB-PBF打印薄壁零件的可行性并确定了可能的缺陷。对上述缺陷的控制因素进行了表征，并为了找到缺陷的潜在物理现象，对单次、三次和五次激光通过进行了可制造性模拟。综合讨论了激光功率、激光通过次数和倾斜角度对尺寸偏差、畸变和孔隙率的影响。所提出的结果有助于确定LB-PBF工艺生产AlSi10Mg薄壁零件的能力。为此，选择了全析因实验设计，实施了不同的统计分析，如多元方差分析和主效应图。通过与实验测量进行比较，验证了熔迹模拟。确定了薄壁零件生产中LB-PBF过程的相关流变特性，并用于表征构建角度、激光功率和激光通过次数的影响。结果总结如下：

• 主效应分析表明，通过增加构建角度和激光功率，厚度和尺寸偏差会增加。然而，发现激光功率在主效应图中的斜率较小，这被证明对厚度无关紧要。根据多元方差分析，发现激光通过次数和构建角度对薄壁零件的厚度和尺寸偏差影响最大。

• 主效应和P值分析表明，激光功率和构建角度对于横向变形来说是无关紧要的因素。相反，激光通过的次数显着驱动横向变形。

这项研究还表明，所研究的独立参数驱动薄壁零件侧面的开孔和闭孔孔隙率。统计分析表明，激光通过的次数显著改变了闭孔率的百分比。还发现构建角度是开孔和闭孔百分比的重要因素。在低倾角和单次激光通过的样品中，孔隙率明显最高，这表明在这些条件下材料并未完全熔合。