深度：激光選區(qū)熔化的數字化特點及其應用

來源：3D打印商情

北京工業(yè)大學激光院張冬云老師自2015年3D打印中心建立起來就負責金屬增材制造的研究，目前課題組畢業(yè)博士1名，在讀博士1名、碩士研究生10名，課題組成員涉及材料學、材料加工及控制、光電信息、機械制造等多種專業(yè)背景。課題組在張冬云老師的帶領下，近年來承擔激光選區(qū)熔化（SLM）方面北京市科委重大項目2項、國基金面上項目2項、中德合作科技部重點研發(fā)項目1項、國防科工局及企業(yè)委托項目多項等，取得一系列豐碩的科研成果。已經向社會輸送激光選區(qū)熔化方面碩士畢業(yè)生10余名，分布在增材制造領域的科研機構、企事業(yè)單位。

張冬云老師（右一）及其項目組成員

張冬云現(xiàn)工作于北京工業(yè)大學激光工程研究院，副教授，博導。1992、1995年分別獲得吉林工業(yè)大學金屬材料工程系焊接專業(yè)工學學士及碩士學位。1995-1999年工作于長春光學精密機械學院從事激光表面改性方面的教學和科研工作,期間作為技術骨干參加多項大型科研項目,獲省部級科技進步獎三項。2000年-2004年工作于德國Fraunhofer 激光技術研究所（ILT），主要進行金屬增材制造領域的研究工作，期間作為技術骨干參加了德國聯(lián)邦教研部(BMBF)和研究基金會(DFG)的大型項目。2004年獲得德國亞琛工業(yè)大學機械制造專業(yè)工學博士學位。曾作為科技部英語、德語翻譯以及激光領域專家?guī)ш犜L問德國教研部、激光及光制造領域研究機構及企業(yè)。

激光選區(qū)熔化的特點在于該技術突破傳統(tǒng)制造方法的局限，可以制造形狀復雜的零部件。數字模型的設計與工藝的高度結合貫穿SLM制造過程的始終。張冬云老師在激光選區(qū)熔化領域具有深厚的研究基礎，在課題組建立之初就針對該技術制造復雜形狀零部件及其與數字化高度融合的特點，提出了基于SLM過程的數值模擬、“數字材料”的設計以及力學行為評價、3D打印材料的微觀組織和力學性能調控等三個研究方向，取得了階段性進展。下面以該課題組最近發(fā)表的三篇文章為例，介紹他們取得的研究成果。

SLM過程中激光與粉末材料之間發(fā)生了復雜的物理、化學以及冶金反應，在這一相互作業(yè)區(qū)發(fā)生的多物理現(xiàn)象處于介觀尺度內，光束直徑在100μm左右，熔池尺寸在120-180微米區(qū)間，每個熔池從熔化到凝固只經歷幾ms的時間，過程“轉瞬即逝”。其中發(fā)生的粉末材料對激光的反射、吸收、粉末材料的熔化、凝固過程以及熔池內熱傳導、馬蘭戈尼等現(xiàn)象等都會影響液態(tài)金屬的結晶特性。而上述過程目前無法采用其他的方法捕捉，再現(xiàn)并深入理解這一過程的最好辦法就是數字模擬。在考慮上述物理現(xiàn)象的基礎上，采用具有“多物理現(xiàn)象”模型模擬SLM過程中的溫度場演化歷史、熔池內流體流動的特點，“再現(xiàn)”SLM過程中，為分析液態(tài)金屬的結晶特點提供了底層信息，從而找到改變SLM過程中超高的溫度梯度和超快的冷卻速度的方法、促進液態(tài)金屬直接向所需特征組織的轉變。

在對SLM過程進行數值模擬的過程中我們利用有限元模擬軟件中的固體傳熱模塊和層流模塊建立了選區(qū)激光熔化成形Inconel718合金過程中溫度場的三維瞬態(tài)有限元模型，模型考慮了材料熱物理參數的非線性變化、激光束在粉床內的穿透作用以及熔池內的Marangoni效應。并利用該模型模擬研究了SLM過程中熱量流動狀態(tài)對熔池形貌以及熔池冷卻過程中晶粒的生長形貌的影響，同時利用SLM實驗對模擬結果進行了實驗驗證。

上述研究結果表明，熔池表面溫度梯度引起的表面張力驅動馬蘭戈尼對流，SLM加工過程中馬蘭戈尼對流以外向對流為主。在熔池形成過程中，馬蘭戈尼對流包括對流熱通量和傳導熱通量，兩者對熔池形狀均有影響，然而熔池表面張力引起的Marangoni效應使得對流熱通量在熔池內部傳熱過程中起主導作用（圖1），比傳導熱通量大一個數量級，并決定熔池的形貌特征。熱累積效應會顯著增加熔池的尺寸，并在加工至第五條掃描軌跡時，熔池尺寸趨于平穩(wěn)。模擬研究結果也闡釋了五道連續(xù)掃描過程中熱量積累增加了對流和傳導熱通量，導致熔池寬度和深度增加，但對流熱通量對熔池形狀的主導作用沒有改變。通過對連續(xù)五道掃描軌跡不同位置熔池形狀和尺寸變化的模擬結果可以看出，在連續(xù)的熱輸入過程中，熔池的長度變化大于熔池的深度和寬度（圖2）。激光功率和掃描速度通過改變能量輸入影響熔池的尺寸以及熔池的穩(wěn)定性；搭接率主要通過熱累積效應影響掃描軌跡間的冶金結合強度；粉床厚度主要通過改變層與層之間的重熔區(qū)域來影響層與層之間的冶金結合強度。

數值模擬仿真可以高效、低成本地研究SLM工藝過程中溫度場、粉末熔化行為、熔池流動以及殘余應力與變形規(guī)律等，揭示工藝過程內在的物理規(guī)律，更好地控制工藝過程。該模擬結果可以通過修改熱物理參數推廣至其他材料。也可以進一步成為多道多層SLM過程的溫度場演化甚至應力場演化的數值模擬。對3D打印過程的組織性能預測以及應力應變預測具有指導作用。模擬過程可以減少實驗環(huán)節(jié)進而節(jié)省時間和費用。

圖1 五道連續(xù)掃描軌跡中點處對流熱通量（a、c、e、g、i）和傳導熱通量（b、d、f、h、j）矢量圖

圖2 連續(xù)五道掃描過程中不同位置處熔池形貌及尺寸：（a）不同位置處熔池形貌；（b）不同位置處熔池的尺寸；（c）不同掃描軌跡線中點位置熔池深寬比

上文提到，激光選區(qū)熔化的特點在于突破傳統(tǒng)制造技術的瓶頸，能夠快速制造形狀任意、結構精細、復雜的零部件。隨著計算科學和優(yōu)化算法的迅速發(fā)展，結構拓撲優(yōu)化的研究和應用得到了巨大的發(fā)展。結構優(yōu)化設計旨在通過對零部件的尺寸、形狀及拓撲等參數進行合理的調整，使零部件的結構在滿足強度、剛度、穩(wěn)定性、可制造性等一種或多種設計要求的前提下，獲得指定性能的最優(yōu)數字化設計，比如重量最輕等。本課題組的研究就是通過拓撲優(yōu)化方法設計胞元結構，構造多孔材料，采用有限元進行力學性能模擬得到一系列的性能指標并進行實驗驗證和優(yōu)化，最終達到該多孔材料的數字化設計、制造、力學性能分析等目的。我們的研究基于醫(yī)療器械市場中應用數量巨大的“骨代品”進行。

隨著人口老齡化以及生活節(jié)奏的加快，植入體在臨床醫(yī)學中的需求量越來越大。但是傳統(tǒng)植入體都是人體骨自移植或者組織工程骨的方法獲得，但是這些植入體大多適用于形狀不復雜、面積不大骨移植的情況。形狀復雜、面積較大的骨代品一般是采用傳統(tǒng)方法制造的實體植入體，這些植入體存在“應力屏蔽”現(xiàn)象，容易造成骨壞死、植入失敗等問題。人工骨的制造首先需要了解人體自然骨骼的性能、功能和結構。人體自然骨首先需要具有較高的承載以及抵御外力傷害的能力，即抗壓強度和韌性。從結構上看，人體自然骨具有雙層結構松質骨和密質骨，各具有不能的性能和功能。多孔結構一方面降低其強度，提高韌性；另一方面有利于骨細胞的長入以及營養(yǎng)物質的輸運，即提高其生物兼容性。

研究中我們根據人體自然骨的受力要求采用拓撲優(yōu)化進行多孔結構的點陣胞元設計（圖3），采用數字化方法對單胞進行組合，構建出不同孔隙率和胞元尺寸的多孔結構，通過可制造性實驗優(yōu)化、制造了多孔材料，并通過模擬和試驗對不同規(guī)格多孔結構的性能進行研究。并通過專業(yè)軟件建立多孔結構模型，研究強度、彈性模量等性能與結構參數之間的數字化關系，旨在實現(xiàn)多孔材料的性能的調控。研究中采用拓撲優(yōu)化設計方法（TOP）根據人體骨骼的受力特點進行點陣單元結構設計、SLM制造及其生物機械性能評價等研究。結果表明：該點陣陣列的彈性模量與加載時的受力方向有關，與點陣陣列的層數無關，如圖4所示。圖4b也揭示了彈性模量隨著點陣單元密度（尺寸）的增加而減小的特點，多孔材料中與人體骨骼中骨密質和骨松質相匹配的點陣陣列。圖5a揭示點陣陣列的抗壓強度隨著孔隙率的增加而減小，并給出與人體骨骼中骨密質和骨松質抗壓強度匹配的點陣陣列；根據傳統(tǒng)多孔材料的受力變形行為理論，我們設計、制造的多孔材料受壓變形行為分為強化型、脆斷型和彈性變形三類。圖6a為基于經典Gibson-ashby模型建立的點陣陣列參數、孔隙率與彈性模量之間的三維關系圖，為制造定制化性能的多孔材料提供了理論基礎；下一步將進行梯度點陣陣列材料的設計與性能評價方面的研究（圖6b）。

圖3采用拓撲優(yōu)化方法設計的點陣單元及其設計負載方向、陣列堆疊方向與RFDA測試方向的關系

圖4（a）網格陣列彈性模量及其影響因素；(b)網格陣列結構參數對彈性模量的影響

圖5 （a）網格陣列結構參數對抗壓強度的影；(b)網格陣列結構的受壓變形曲線

圖6 （a）彈性模量與網格陣列結構參數三維關系、梯度網格結構彈性模量的選擇及（b）SLM制造的網格結構

基于上述研究，本課題組建立了多孔材料的仿真模型，以具有相同孔隙率不同胞元尺寸的多孔結構為例，進行準靜態(tài)受力分析（圖7），并與實際的性能測試結果進行比較。圖8 給出了該模型的受力變形過程，以及受力變形過程中結構內部的應力、應變演化情況。上述研究的成功實施有利于對數字化多孔材料的變形行為進行有效預測以及為制造性能可控的定制化多孔材料奠定基礎。上述研究對功能梯度多孔材料性能預測及定制化提供基礎。

采用數字化手段設計、制造多孔材料并評價其受力行為意義非常重大。一方面航空航天領域需要輕質高強的多孔材料；另一方面減震、吸能及緩沖材料在工業(yè)領域用途很廣。本研究以具有功能梯度的骨小梁結構為例，重在探討其中的規(guī)律以及可行性。

(a)3mm        (b)4mm     (c)6mm

圖7  用于準靜態(tài)受力行為分析的具有相同孔隙率不同胞元尺寸的多孔結構模型

圖8 數字化材料受力行為分析: (a)變形過程；(b)應力分布隨著變形過程的演化；(c)應變隨著變形過程的演化

SLM加工材料過程中熔池內具有超高的溫度梯度和冷卻速度，完全不同于傳統(tǒng)鑄造以及熔覆成形過程，因而SLM加工的金屬材料一般晶粒細小、成分偏析小，抗拉強度和屈服強度較高，但是具有較低的延伸率和疲勞性能。鑒于其在航空航天、醫(yī)療以及其他工業(yè)應用領域的巨大優(yōu)勢，如何使SLM制造零部件的綜合機械性能達到鍛件水平是一個“永恒”的課題。項目組在該方面的研究主要基于上面對SLM過程進行的模擬研究提供的底層數據信息，及熔池內溫度梯度、冷卻速度、流場以及SLM加工金屬材料過程中溫度、熱通量演化過程等信息，研究上述信息對熔池金屬凝固過程的影響，從而達到控制微觀組織生成的目的。

采用激光選區(qū)熔化加工金屬材料過程中，很多因素影響熔池內的溫度梯度和冷卻速度，如激光功率、掃描速度、搭接率、層厚、光斑直徑、預熱溫度計支撐結構的類型等直接或者間接影響熔池溫度場及散熱的因素。首先SLM加工過程中速度較快，其次上述影響因素相互關聯(lián)，因而控制的難度較大。一般來說，SLM加工Ti6Al4V材料的微觀組織中主要為極細針狀馬氏體組織，這種組織的性能往往表現(xiàn)為較高高拉伸和屈服強度，但是延伸率比較低。采用適當的熱處理可以把延伸率提高到10%左右。但是這樣的工藝過程是兩步法，我們的目標是在無需熱處理的情況下直接提高SLM加工的Ti6Al4V材料的延伸率。這樣就需要在SLM加工Ti6Al4V過程中營造Ti6Al4V合金發(fā)生原位分解的條件，即原位發(fā)生轉變，從而直接提高SLM加工的Ti6Al4V材料的綜合性能。一般發(fā)生轉變的溫度窗口在為600~800之間。超過800將發(fā)生的轉變。因而SLM加工的Ti6Al4V原位分解是較難控制的，其調控的基本原理如圖9所示。

圖9 SLM加工Ti6Al4V過程原位分解調控基本原理圖

此外，由于SLM制造零件過程的熱累計效應，SLM加工Ti6Al4V的零部件距離底板的不同位置處發(fā)生轉變的程度不同（如圖10所示）。這也是我們再研究中需要控制的情況之一。經過研究，我們制造的試樣拉伸性能測試結果表明，Ti6Al4V 經過原位分解后，在提高延伸率的同時，仍保持較高的屈服強度，屈服強度達到1100 MPa以上，延伸率達到8%。斷裂機制為韌性斷裂。

圖10 SLM加工Ti6Al4V組織試樣不同位置處組織的差異以及原位調控SLM加工Ti6Al4V組織

從上面可知，我們在基于SLM過程的數值模擬、“數字材料”的設計以及力學行為評價、3D打印材料的微觀組織和力學性能調控等三個方面的研究中，均采用了數字的手段（數字設計、數字模擬機數字評價），重在提取研究中的共性問題、規(guī)律性的問題，在這樣的研究基礎上，我們把基礎研究中獲得的規(guī)律推及到工業(yè)應用中。誠然，我們的研究中數字化還沒有完全覆蓋整個研究過程，上述的每個研究過程還是孤立的，未來的目標是進一步深化上述研究的數字化過程，還有就是用數字化手段逐漸把上述三個方面結合起來。

參考文獻
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2.Yangli Xu, Dongyun Zhang, Songtao Hu, Runping Chen,Yilei Gu, Xiangsen Kong, Jiongming Tao,Yijian Jiang, Mechanical properties tailoring of topology optimized and selective laser melting fabricated Ti6Al4V lattice structure, Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 2019.06.21, 77: 225~239.

3.Yangli Xu, Dongyun Zhang, Yanwu Guo, Songtao Hu, Xuping Wu, Yijian Jiang, Microstructural tailoring of As-Selective Laser Melted Ti6Al4V alloy for high mechanical properties, Journal of Alloys and Compounds, 2019.10.01, https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.152536