摘要:為了探究激光選區熔化(SLM)技術在無支撐條件下鋁合金零件的工藝成型能力，為后續基于鋁合金SLM技術的結構設計奠定基礎，開展了系列典型工藝單元件的設計與制造。在綜合考慮零件擺向方位、懸端角度、開孔形狀與大小等因素的基礎上，采用Xline2000R設備在優化的工藝參數下選用AlSi10Mg粉末對這些典型工藝單元件進行激光選區熔化。通過典型工藝單元件的制造研究，得出了系列能夠指導基于鋁合金SLM技術進行結構設計的有益結論。該研究為后續基于鋁合金SLM技術進行復雜零件的設計與制造奠定基礎。

　　關鍵詞:激光技術;成型能力;激光選區熔化;AlSi10Mg;結構設計

　　鋁合金密度小、比強度高，具有優良的導電性、導熱性及抗蝕性，在工業上廣泛使用，尤其在航空航天領域，由于結構輕量化的需求，更是廣泛采用。針對結構拓撲優化技術的發展和結構功能一體化的趨勢，傳統的鋁合金制造技術已難以滿足復雜形狀零件的制備需求。激光選區熔化(SLM)是基于分層-疊加制造的原理，將三維CAD模型進行分層處理，利用激光選區熔化成型[1]。目前針對SLM成型所用的金屬材料研究主要集中于鈦合金、高溫合金和不銹鋼等，并在應用方面取得了一定的進展[2-5]。

　　然而對鋁合金材料成型方面的研究尚處于起步階段。由于鋁合金密度小、流動性差、激光反射率高、易氧化等特點，對成型過程帶來極大困難。[6-8]對于SLM成型的零件，無需模具和工裝，理論上可以成型任意復雜的金屬零件，但是如果設計有懸伸部分，即有在未熔粉末的頂部進行熔融加工的位置，則需要設計支撐才能完成加工，這些支撐會增加加工時間，消耗更多材料，而且需要額外的后處理來進行移除，如果支撐存在某些可達性很差的區域，則將面臨后續支撐無法去除的問題[9]。

　　目前，國內外對無支撐條件下SLM成型能力的研究較少，尤其針對鋁合金的SLM結構成型，還沒有相關系統的研究，沒有相關的結構成型數據供結構設計人員參考。張曉剛等研究了工藝參量對SLM純銅粉末成形件尺寸精度的影響[10];姜獻峰等使用316L不銹鋼粉末進行SLM成型，研究了零件不同成型角度對其機械性能的影響[11]。

　　盧建斌等對SLM成型懸垂面質量的影響因素進行了分析[12];朱小剛等研究了SLM鋁合金直接成型不同傾斜角度傾斜面的成形質量[13];吳根麗等采用Ti6Al4V金屬粉末，研究了傾斜角度、掃描策略對懸垂結構SLM成形質量的影響[14];楊永強等采用不銹鋼粉末，研究了SLM中不同激光功率、掃描速度、鋪粉裝置、離焦量和層厚對成型效果的影響[15];楊雄文等采用不銹鋼粉末進行SLM成型，研究了系列典型幾何特征的尺寸精度及成型能力[16]。

　　以上主要針對金屬粉末的SLM直接成型能力進行了相關研究工作，但是手段均比較單一，尤其是對鋁合金成型能力的研究，沒有考慮多種因素耦合情況下的結構成型能力。本文設計了系列典型工藝單元件，綜合考慮零件擺向方位、懸端角度、開孔形狀與大小等因素，采用AlSi10Mg鋁合金粉末對其SLM成型，并對其成型精度和成型質量進行了分析，得出了系列能夠指導后續基于鋁合金SLM技術進行結構設計的有益結論。

　　1實驗規劃

　　1.1實驗設備和材料

　　實驗設備為ConceptLaser公司的Xline2000R，為目前世界上最大的激光金屬鋪粉打印設備，其最大打印尺寸為800mm×400mm×600mm。實驗材料為AlSi10Mg粉末，粉末顆粒分布范圍為0～50μm。

　　1.2實驗方法

　　在考慮零件擺向方位、懸端角度、開孔大小形狀等因素基礎上，規劃了以下三類工藝單元件:第一類為不同傾角的帶圓孔和三角形孔的平板件;第二類為薄壁長端件;第三類為典型懸端件。由于SLM成型過程中鋪粉刷頭始終自左向右(沿x向)進行鋪粉，故考慮鋪粉刷頭對成型的影響，選取了x、-x以及y三個擺放方位，其中x向為鋪粉方向，-x為逆鋪粉方向，y向為垂直鋪粉方向。

　　所有工藝單元件均采用Xline2000R進行制造，掃描形式為雙向掃描，掃描策略為島嶼掃描，島嶼大小為50mm×50mm，初始島嶼旋轉角度為45°，島嶼x、y偏移量為1mm。經過前期多輪材料級樣件的試制，以保證成型的樣件具有較低的孔隙率及較好的力學性能。

　　2結果與分析

　　2.1帶圓孔和三角形孔的平板件成型效果分析

　　2.1.1SLM成型粗糙度及尺寸精度分析

　　帶小圓孔的平板，其寬度理論尺寸為20mm，厚度理論尺寸為5mm，選取成型后傾角為30°～90°(步進值為15°)的平板進行表面粗糙度及尺寸精度分析。測量成型后小圓形孔平板的上、下表面粗糙度及寬厚尺寸，偏差量以實測尺寸與理論尺寸之差作為定義，得出以下結論。在不考慮擺放方位因素情況下。

　　可以看出上表面粗糙度隨角度變化影響不大，基本保持在10～20μm;而下表面粗糙度隨角度變化影響劇烈，在平板傾角在45°～90°時，粗糙度基本保持在10～20μm，而在平板傾角小于45°時，粗糙度值呈線性急劇加大，在傾角最小30°時達到53μm。其主要原因是下表面為懸空面，下部無支撐，傾角越小，其表面成型質量越低。

　　不考慮擺放方位因素情況下，厚度偏差、寬度偏差隨平板傾角的變化關系圖。可以看出厚度偏差隨傾角變小而增大，其主要原因是:下表面為懸空面，下部無支撐，傾角越小，其表面成型質量越低，出現掛渣現象，從而影響厚度方向的尺寸精度;而寬度方向則沒有懸空面，故寬度偏差受傾角變化基本無影響，其偏差量在0.02mm以內。

　　2.1.2SLM懸孔成型質量分析

　　(1)圓孔成型研究不同垂懸角度及不同擺放方向對圓孔大小的成型質量影響。其中圓孔直徑為4、6、8、10、15、20mm。可以看出圓孔直徑在4～8mm時，圓孔的成型質量較好，圓孔上表面僅出現輕微掛渣現象;圓孔直徑在10～20mm時，隨著孔徑的加大，圓孔的成型質量愈來愈差，且發生明顯視覺失真，圓孔上表面出現明顯掛渣及缺肉現象。而且圓孔掛渣缺陷程度隨著平板傾角的變小而遞增。

　　將內孔缺陷等級分為4類，每一等級對應相應分值，根據評分結果可以看出:4、6、8mm的圓孔成型質量較好，且基本不受傾角及擺向方位的影響;10、15、20mm的圓孔成型質量較差，且隨著傾角變大成型質量變低;從擺向方位來看，x向成型質量最好，y向次之，-x向最差。

　　3結語

　　通過SLM進行系列典型工藝單元件的設計與制造，對其成型能力進行了相關分析與研究，得到了系列有益結論，為后續指導基于鋁合金SLM技術的結構設計提供參考。

　　(1)懸面成型質量受主要受傾角影響，傾角越大，懸面端的成型質量(粗糙度、厚度精度)越差，且超過45°時，成型質量急劇下降，并會明顯出現表面掉渣等缺陷，導致表面粗糙度劇增。

　　(2)非懸面成型質量良好，尺寸精度可保證±0.02mm以內，粗糙度10～20μm。

　　(3)結構開孔大小在10mm以內直接成型質量較好，超過10mm則出現較大缺陷，需要添加支撐或者調整激光能量來保證成型。

　　(4)懸面上的懸線與水平夾角應保證38°以上。

　　(5)沿鋪粉方向(x)打印質量最好，沿垂直鋪粉和逆鋪粉方向(y，-x)其次。

　　(6)避免設計壁厚小于1.5mm的薄壁長端件，成型將產生較大變形。

　　(7)結構倒圓角尺寸R1～R10均可成型，內表面粗糙度隨圓角變大而變大。

　　(8)水平橋梁長度在5mm可以成型，水平懸臂長度在2mm以內可以成型，內表面粗糙度隨懸端長度變大而變大。

　　參考文獻

　　[1]FrazierWE.Metaladditivemanufacturing:areview[J].Mater.Eng.Perform，2014，23(6):1917-1928.

　　[2]BadrossamayM，ChildsTH.Furtherstudiesinselectivelasermeltingofstainlessandtoolsteelpowders[J].InternationalJournalofMachineTools&Manufacture，2007，47(5):779-784.

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