晶格結(jié)構(gòu)的選區(qū)激光熔化：工藝與力學(xué)性能的統(tǒng)計方法研究

供稿人:魏超，李滌塵

鈦鉭合金具有替代工業(yè)純鈦和Ti6Al4V鈦合金作為生物醫(yī)用材料的潛力。使用選區(qū)激光燒結(jié)（SLM）制造的蜂窩晶格結(jié)構(gòu)即使具有相同的晶胞，但由于工藝參數(shù)的影響，使得彈性常數(shù)范圍在Gpa和Gpa之間，因此控制加工蜂窩晶格結(jié)構(gòu)的工藝參數(shù)以獲得期望的力學(xué)性能顯得至關(guān)重要。

為了解決上述問題，來自新加坡南洋理工大學(xué)的Swee Leong Sing等人使用回歸分析和方差分析的統(tǒng)計方法研究SLM的加工工藝參數(shù)（激光功率（L）、掃描速度（S）和分層厚度（L））對蜂窩晶格結(jié)構(gòu)的尺寸精度（如圖1）和力學(xué)性能（孔隙率（）、彈性常量（）和屈服強(qiáng)度（））的影響。蜂窩晶格結(jié)構(gòu)是專門設(shè)計的，具有水平、豎直和傾斜的支柱，支柱的直徑大小和激光光斑大小一致，如圖2所示。尺寸精度使用顯微照片測量，力學(xué)性能通過壓縮實驗測得。

圖1        晶格結(jié)構(gòu)的LOM圖像（a）xy平面（b）yz平面

圖2 蜂窩晶格結(jié)構(gòu)的CAD模型

圖1中是平面內(nèi)水平支柱的尺寸，是平面內(nèi)水平支柱的尺寸，是豎直支柱的尺寸，是傾斜支柱的尺寸。使用回歸分析得到的尺寸精度經(jīng)驗公式如下：

用SLM關(guān)鍵工藝參數(shù)表示的力學(xué)性能經(jīng)驗公式為:

進(jìn)行敏感性分析結(jié)果表明，與激光功率和掃描速度相比，水平支柱的尺寸對層厚最敏感；對于豎直和傾斜支柱來說，相比于層厚和掃描速度，其尺寸對激光功率最敏感，而且只對激光功率敏感，對激光功率的敏感性要遠(yuǎn)高于層厚和掃描速度。孔隙率和彈性常量對激光功率的敏感性要高于層厚和掃描速度，屈服強(qiáng)度對激光功率和掃描速度敏感，對層厚不太敏感。

本文采用回歸分析方法，定量分析了SLM工藝參數(shù)對晶格結(jié)構(gòu)尺寸和力學(xué)性能的影響，通過對工藝參數(shù)的精心控制，不僅可以提高晶格結(jié)構(gòu)的尺寸準(zhǔn)確性，還能更好地控制力學(xué)性能。

參考文獻(xiàn)：
Sing, S. L., Wiria, F. E., & Yeong, W. Y. (2018). Selective laser melting of lattice structures: A statistical approach to manufacturability and mechanical behavior.
Robotics and Computer Integrated Manufacturing, 49, 170–180.
https://doi.org/10.1016/j.rcim.2017.06.006

供稿人:魏超，李滌塵 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實驗室