摘要:為了探究激光選區(qū)熔化(SLM)技術(shù)在無支撐條件下鋁合金零件的工藝成型能力，為后續(xù)基于鋁合金SLM技術(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)，開展了系列典型工藝單元件的設(shè)計(jì)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(chǔ)上，采用Xline2000R設(shè)備在優(yōu)化的工藝參數(shù)下選用AlSi10Mg粉末對(duì)這些典型工藝單元件進(jìn)行激光選區(qū)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(dǎo)基于鋁合金SLM技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有益結(jié)論。該研究為后續(xù)基于鋁合金SLM技術(shù)進(jìn)行復(fù)雜零件的設(shè)計(jì)與制造奠定基礎(chǔ)。

　　關(guān)鍵詞:激光技術(shù);成型能力;激光選區(qū)熔化;AlSi10Mg;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　鋁合金密度小、比強(qiáng)度高，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性及抗蝕性，在工業(yè)上廣泛使用，尤其在航空航天領(lǐng)域，由于結(jié)構(gòu)輕量化的需求，更是廣泛采用。針對(duì)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)的發(fā)展和結(jié)構(gòu)功能一體化的趨勢(shì)，傳統(tǒng)的鋁合金制造技術(shù)已難以滿足復(fù)雜形狀零件的制備需求。激光選區(qū)熔化(SLM)是基于分層-疊加制造的原理，將三維CAD模型進(jìn)行分層處理，利用激光選區(qū)熔化成型[1]。目前針對(duì)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(yīng)用方面取得了一定的進(jìn)展[2-5]。

　　然而對(duì)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(dòng)性差、激光反射率高、易氧化等特點(diǎn)，對(duì)成型過程帶來極大困難。[6-8]對(duì)于SLM成型的零件，無需模具和工裝，理論上可以成型任意復(fù)雜的金屬零件，但是如果設(shè)計(jì)有懸伸部分，即有在未熔粉末的頂部進(jìn)行熔融加工的位置，則需要設(shè)計(jì)支撐才能完成加工，這些支撐會(huì)增加加工時(shí)間，消耗更多材料，而且需要額外的后處理來進(jìn)行移除，如果支撐存在某些可達(dá)性很差的區(qū)域，則將面臨后續(xù)支撐無法去除的問題[9]。

　　目前，國內(nèi)外對(duì)無支撐條件下SLM成型能力的研究較少，尤其針對(duì)鋁合金的SLM結(jié)構(gòu)成型，還沒有相關(guān)系統(tǒng)的研究，沒有相關(guān)的結(jié)構(gòu)成型數(shù)據(jù)供結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員參考。張曉剛等研究了工藝參量對(duì)SLM純銅粉末成形件尺寸精度的影響[10];姜獻(xiàn)峰等使用316L不銹鋼粉末進(jìn)行SLM成型，研究了零件不同成型角度對(duì)其機(jī)械性能的影響[11]。

　　盧建斌等對(duì)SLM成型懸垂面質(zhì)量的影響因素進(jìn)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(zhì)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(duì)懸垂結(jié)構(gòu)SLM成形質(zhì)量的影響[14];楊永強(qiáng)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(duì)成型效果的影響[15];楊雄文等采用不銹鋼粉末進(jìn)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(duì)金屬粉末的SLM直接成型能力進(jìn)行了相關(guān)研究工作，但是手段均比較單一，尤其是對(duì)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(jié)構(gòu)成型能力。本文設(shè)計(jì)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(duì)其SLM成型，并對(duì)其成型精度和成型質(zhì)量進(jìn)行了分析，得出了系列能夠指導(dǎo)后續(xù)基于鋁合金SLM技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有益結(jié)論。

　　1實(shí)驗(yàn)規(guī)劃

　　1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料

　　實(shí)驗(yàn)設(shè)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(shè)備，其最大打印尺寸為800mm×400mm×600mm。實(shí)驗(yàn)材料為AlSi10Mg粉末，粉末顆粒分布范圍為0～50μm。

　　1.2實(shí)驗(yàn)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(chǔ)上，規(guī)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(jìn)行鋪粉，故考慮鋪粉刷頭對(duì)成型的影響，選取了x、-x以及y三個(gè)擺放方位，其中x向?yàn)殇伔鄯较颍?x為逆鋪粉方向，y向?yàn)榇怪变伔鄯较颉?/p>

　　所有工藝單元件均采用Xline2000R進(jìn)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(zhuǎn)角度為45°，島嶼x、y偏移量為1mm。經(jīng)過前期多輪材料級(jí)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(xué)性能。

　　2結(jié)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(jìn)值為15°)的平板進(jìn)行表面粗糙度及尺寸精度分析。測(cè)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(shí)測(cè)尺寸與理論尺寸之差作為定義，得出以下結(jié)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(shí)，粗糙度基本保持在10～20μm，而在平板傾角小于45°時(shí)，粗糙度值呈線性急劇加大，在傾角最小30°時(shí)達(dá)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(zhì)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(guān)系圖�？梢钥闯龊穸绕�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(zhì)量越低，出現(xiàn)掛渣現(xiàn)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(nèi)。

　　2.1.2SLM懸孔成型質(zhì)量分析

　　(1)圓孔成型研究不同垂懸角度及不同擺放方向?qū)�圓孔大小的成型質(zhì)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(shí)，圓孔的成型質(zhì)量較好，圓孔上表面僅出現(xiàn)輕微掛渣現(xiàn)象;圓孔直徑在10～20mm時(shí)，隨著孔徑的加大，圓孔的成型質(zhì)量愈來愈差，且發(fā)生明顯視覺失真，圓孔上表面出現(xiàn)明顯掛渣及缺肉現(xiàn)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(nèi)孔缺陷等級(jí)分為4類，每一等級(jí)對(duì)應(yīng)相應(yīng)分值，根據(jù)評(píng)分結(jié)果可以看出:4、6、8mm的圓孔成型質(zhì)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(zhì)量較差，且隨著傾角變大成型質(zhì)量變低;從擺向方位來看，x向成型質(zhì)量最好，y向次之，-x向最差。

　　3結(jié)語

　　通過SLM進(jìn)行系列典型工藝單元件的設(shè)計(jì)與制造，對(duì)其成型能力進(jìn)行了相關(guān)分析與研究，得到了系列有益結(jié)論，為后續(xù)指導(dǎo)基于鋁合金SLM技術(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

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

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

　　(3)結(jié)構(gòu)開孔大小在10mm以內(nèi)直接成型質(zhì)量較好，超過10mm則出現(xiàn)較大缺陷，需要添加支撐或者調(diào)整激光能量來保證成型。

　　(4)懸面上的懸線與水平夾角應(yīng)保證38°以上。

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

　　(6)避免設(shè)計(jì)壁厚小于1.5mm的薄壁長端件，成型將產(chǎn)生較大變形。

　　(7)結(jié)構(gòu)倒圓角尺寸R1～R10均可成型，內(nèi)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(nèi)可以成型，內(nèi)表面粗糙度隨懸端長度變大而變大。

　　參考文獻(xiàn)

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

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　　摘要：隨著改革開放的不斷深入，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，工業(yè)化建設(shè)也在不斷推進(jìn)，近年來，電力輸送的主要方式已經(jīng)轉(zhuǎn)變成電力電纜。現(xiàn)在，常見的電纜主要有合金電纜、鋁芯電纜與銅芯電纜。本文結(jié)合鋁合金電纜在建筑工程中的實(shí)踐應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，分析介紹了鋁合金電纜的電纜敷設(shè)、電纜制作以及應(yīng)用前景，提出用鋁合金代替銅，推廣鋁合金電纜在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。