基于激光选区熔化成型螺杆转子工艺仿真分析

支明宇， 李志峰,2*， 万旭东， 赵永强,2

(1.陕西理工大学 机械工程学院， 陕西 汉中 723000；2.陕西省工业自动化重点实验室， 陕西 汉中 723000)

增材制造是一种通过材料逐层累加直接制造实体零件的技术[1]。激光选区熔化(Selective Laser Melting，SLM)具有使三维加工变二维加工、难加工材料的一次成形、材料制备与成形一体化等优势[2]。作为一种高精度金属增材制造的成型方法，SLM在复杂零件制造方面越来越受到关注[3]。段伟等[4]利用激光选区熔化技术对AlSi10Mg合金材料进行快速成型，发现粗粉含量越高越有利于高致密度打印件的制备。郭谆钦等[5]以镍基高温合金为材料，通过改变激光功率及热处理温度反复试验，提高了零件的工艺性能。潘爱琼等[6]采用激光选区熔化技术，发现裂纹数量与尺寸随激光体能量的增大急剧增加。王稳等[7]建立瞬态激光选区熔化温度场有限元模型并与试验测量的残余应力进行对比，证明通过基板预热可以提高成型件表面质量。梁静静等[8]采用激光立体成型对成型件沉积态和热处理态试样进行显微组织观察，经过合金标准热处理后，再结晶晶粒大小极度不均匀，局部出现微裂纹。李庆棠等[9]在成型钛铝复合截面工艺优化基础上分析SLM成型钛铝复合界面结合处微组织及内部结构，得到复合界面厚度随激光线能量密度增加呈下降趋势。许良等[10]实现了激光选区熔化成型TC4钛合金在军用航空中的应用。丁红瑜等[11]总结了选区激光熔化影响零件成形的关键因素，提出零件质量控制的关键点。张国会等[12]通过改变激光功率和扫描速度进行阵列实验，得到扫描速度太低则组织内产生圆形气孔，扫描速度过快则组织内产生不规则形状的孔隙。党新安等[13]通过调整激光选区熔化的激光功率、扫描速度，优化了多孔支架的表面质量。宋雨雨等[14]选取3种激光功率在不同扫描速度下对飞机铰链结构成型过程进行数值模拟，得到残余应力与变形随着激光功率的增高呈现先变好后变差的趋势。韩潇等[15]采用SLM技术制备了相对密度达到99.5%且退火后性能优异的AlSi10Mg铝合金制件。计霞等[16]研究激光选区熔化HG3536高温合金成型工艺及不同冷却方式下的高温拉伸性能，得到冷却速度越慢，合金的高温伸长率越高。姜夕义等[17]研究随着扫描速度的增加，SLM成型Ti-6Al-4V合金孔洞缺陷增多，孔隙增大。LI Wei等[18]研究了热处理对SLM成型的AlSi10Mg试样硬度的影响，发现随着热处理温度和持续时间的增加，会出现持续软化现象。SLM成型的金属零件通常需要经过退火处理，消除残余应力[19]。

目前对于激光选区熔化技术在成型性能方面研究较多，但大多为形状简单的规则性零件成型，对于截面结构复杂的转子类零件研究相对较少。对于复杂结构零件的SLM成型，需要合适的工艺参数与其对应。本文制定的优化方案从激光功率、扫描速度、堆积层厚等工艺参数出发，得到激光选区熔化制造螺杆转子的较优表面质量。

1 激光选区熔化成型技术

激光选区熔化(SLM)成型技术是一种先进的激光增材制造技术。通过对零件三维模型进行切片分层，获得各截面的轮廓数据，利用高能量激光束根据轮廓数据逐层选择性熔化金属粉末，通过逐层铺粉、逐层熔化凝固堆积的方式，制造三维实体零件。

2 理论分析与数值模拟

2.1 热力学理论与数学模型

SLM成型螺杆转子的过程可简化为模拟一个高激光能量束对零件粉末快速熔化、降温成型的过程，若求解热平衡方程，先确定边界条件和初始温度。边界条件主要分为温度边界条件、热流边界条件、换热边界条件和对流辐射边界条件。

温度边界条件，即为第一边界条件，给出螺杆转子边界上的温度分布规律，定义初始温度：

TΓ=T0(x,y,z,t)，

(1)

式中TΓ为边界条件，T0(x,y,z,t)为初始温度边界函数。

热流边界条件，即为热流能量密度：

(2)

式中nx、ny、nz是边界外法向的方向余弦，qs是热流密度。

换热边界条件，表示边界与周围介质间的换热：

(3)

式中h是对流换热系数，Tf为物体表面温度，Ts为介质温度。

对流辐射边界条件，根据热平衡原理即能量守恒，SLM成型过程中粉末吸收的能量和传递的热量相等：

(4)

式中β是修正系数，ε是材料辐射率，Sb为常数，T为环境介质温度，hc为对流换热系数，q为热流密度。

2.2 模型处理与选材

将螺杆转子在UG成形的三维图保存Inspire所需的.x-t格式并导入，定义为打印零件，如图1所示。依据SLM成型的理论与螺杆转子的力学性能，选取通常用于薄壁、几何形状复杂的铸件AlSi10Mg合金作为试验材料，其具有良好的硬度、强度和动态特性。具体性能参数见表1。合金成分对增材制造成型过程有很大影响，且材料的热膨胀系数随温度变化而改变，具体见表2。

图1 打印件

表1 AlSi10Mg合金性能参数

表2 材料膨胀系数随温度改变情况

3 螺杆转子SLM成型正交优化

选择螺杆转子为打印零件，对于打印机的选择以确保螺杆转子处于打印平台中心，较好的完成对零件打印工作，以系统所给默认参数为准。螺杆转子在方向上选择Z方向竖立，为确保打印好的零件从基板顺利取下不损伤打印件，故打印件的下表面距基板保持一定距离，设置为5 mm。添加对螺杆转子的支撑，从基板表面至螺杆转子螺旋齿下端面，变换多种支撑形式，选择对螺旋下端面全支撑结构，如图2所示。对打印件进行切片处理，打印参数处理中，打印件的热力耦合结果作为分析类型的显示。扫描速度1.4～1.8 m/s，激光功率200～240 W，堆积层厚度0.05～0.09 mm，粉末吸收率10%，冷却时间150 s，基板预热350 K，以逐层扫描方式进行SLM制造，整体打印流程如图3所示。

图2 打印零件的支撑 图3 成型流程图

3.1 正交试验优化

本模拟主要通过正交试验，研究不同工艺参数组对成型件的最大变形、最大应力影响情况。依靠正交性选择出能代表总体水平的实验数据进行分析研究，通过对所研究的水平因素数据分析得到全局实验的数据分析范围，并以此对试验水平的数据进行合理优化，是一种常用的多因素水平研究和优化实验方案。阅读文献知，对SLM成型影响较大的工艺参数为激光功率、扫描速度、堆积层厚。故正交试验选取3个影响因素，分别为激光功率P、扫描速度V、堆积层厚S。3个因素选取3个水平，正交试验因子分布由表3给出。

表3 正交试验因子

根据表3中所给实验数据进行SLM成型模拟仿真，根据热力耦合结果对SLM成型的螺杆转子进行分析，查看表面最大变形量、最大等效应力，评价成型的优良与否。通过模拟仿真得到的正交试验结果见表4。

表4 正交试验结果

由表4所得正交试验结果可以看出，在激光功率200 W、扫描速度1.8 m/s、堆积层厚0.09 mm时，SLM成型的螺杆转子有较适宜参数，其最大变形量相对较小，为0.596 6 mm；最大等效应力为2.085×102MPa，远小于合金材料屈服应力；塑性应变0.01。相对其他工艺参数，SLM成型的螺杆转子变形量最小、质量较优，打印的螺杆转子在安全有效范围。此工艺参数下SLM成型的螺杆转子具有较优的表面质量与加工性能，虽转子的表面质量低于减材制造螺杆转子的表面质量，但均为正增量，后期可通过粗磨和精磨得到与传统减材制造相同的高质量表面。此种制造方式明显缩短加工周期，提高制造效率。

在激光功率200 W、扫描速度1.8 m/s、堆积层厚0.09 mm时SLM成型的螺杆转子变形如图4所示，等效应力如图5所示，塑性应变如图6所示。

图4 成型件变形图

图5 成型件等效应力图 图6 成型件塑性应变图

较优的工艺参数下成型的螺杆转子最大变形量发生在接近螺旋齿下端面部分，符合形变累计效应，与预期相同；最大等效应力、塑性应变位置与最大变形位置接近，均在螺旋齿下部外凸齿上，说明还应增加对螺旋齿面的底部外围支撑。

3.2 影响因素探究

在SLM成型过程中，激光功率与扫描速度对成型件质量的影响要大于堆积层厚度对成型件质量的影响。在较优工艺参数基础上，对激光功率与扫描速度之间进行对比分析。固定堆积层厚度，改变激光功率与扫描速度，探究影响能力，方案见表5。激光功率与扫描速度对成型件的影响用三维图表示如图7所示。

表5 激光功率与扫描速度对比方案

图7 激光功率与扫描速度对变形量的影响

在1.8 m/s的扫描速度下，成型件的变形量随激光功率的增加而增大；在200 W的激光功率下，成型件的变形量化随扫描速度的增加而下降。在同比增量的情况下激光功率对成型件变形量的影响大于扫描速度增量对变形量的影响。

4 结论

本文利用正交试验对不同工艺参数下的AlSi10Mg合金材料进行SLM螺杆转子成型模拟仿真，得到较优的成型件表面质量，结论如下：

(1)成型螺杆转子表面质量较优的SLM工艺参数：激光功率200 W，扫描速度1.8 m/s，堆积层厚0.09 mm。在较优的工艺参数下螺杆转子表面最大变形量0.596 6 mm，最大应力2.085×102MPa，塑性应变0.01。

(2)通过模拟仿真揭示成型过程，能够为制定合理的工艺参数、减少实验次数、成型高质量零件提供重要理论指导。避免了实验的试错，节约大量时间和原材料成本问题。

(3)螺杆转子变形量随激光功率的增加而增大，随扫描速度的增加而降低；同增量下，激光功率对成型件的影响大于扫描速度对成型件的影响。

(4)较优的工艺参数下通过激光选区熔化成型，螺杆转子表面质量低于传统减材制造的转子质量，后期可通过粗磨与精磨得到与传统减材制造相同高质量表面，为螺杆转子成型寻求了先增材后减材的新制造工艺。