亚洲天堂高清一二三,久久久久久久久久性生活,精品国产污污免费网站AⅤ,色橹橹欧美在线观看视频高清

干貨分享:3D打印不同精細輪廓與掃描策略的選擇 

2023-01-13 09:17
3D打印輪廓特征的精度決定了表面光潔度、工件疲勞行為以及后處理程度。盡管掃描策略對于3D產(chǎn)品質(zhì)量方面起著關(guān)鍵作用,但以數(shù)字方式研究掃描策略對熱歷史影響的研究較少,特別是根據(jù)所需的凈形狀選擇合適的掃描策略。德國弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所、法國ESI聯(lián)合研究了鎳基高溫合金Inconel 718的幾種掃描策略,以分析和確定最適合不同精細特征的3D打印工藝。

大多數(shù)預(yù)處理軟件解決方案都提供多種不同的掃描策略。在下圖中描繪了不同掃描策略的掃描路徑。

條紋掃描(線掃描)是一種簡單的矢量排列方式。由于矢量長度有限,這種掃描策略的優(yōu)點是在熔化過程中熱分布更均勻。(如下圖a)
曲折條紋掃描是條紋掃描的一種特殊形式。它是創(chuàng)建一個具有180°轉(zhuǎn)向的連續(xù)矢量,最大矢量長度沒有限制。(如下圖a)
棋盤掃描(島形掃描),掃描層被分為若干成正方形區(qū)域。這種掃描策略旨在減少零件中由工藝引起的應(yīng)力。(如下圖b)

同心掃描是輪廓掃描的一種。這種策略對于非常小的掃描區(qū)域特別有利,例如,格子結(jié)構(gòu)。(如下圖c)
640?wx_fmt=png.png
本研究中,使用上面介紹的掃描策略構(gòu)建具有不同幾何形狀和結(jié)構(gòu)的樣品。形狀包括橢圓形、三角形、翼型和格子。這些部件的幾何尺寸列于表 1中。
640?wx_fmt=png.png
使用 D 50  = 30 μm 的Inconel 718 合金粉末,掃描參數(shù)如表 2。
640?wx_fmt=png.png
CLI 構(gòu)建文件被發(fā)送到 LPBF 機器,描述每個層的掃描路徑。在構(gòu)建期間,在線監(jiān)控器捕獲控制器信號,以便除了在過程中捕獲的熱輻射之外,激光位置和狀態(tài)始終是已知的。

CLI文件也被提交給熱解算器以預(yù)測處理材料的質(zhì)量。下圖顯示了經(jīng)過處理以打印 2 mm寬橢圓的層的熔化區(qū)域。在模擬的一個階段完全熔化(溫度至少達到液相線)的計算單元的“熔化”值為 1。沒有經(jīng)過激光處理和/或根本沒有熔化的單元的值為 0 。首先使用曲折條紋掃描路徑處理,然后使用輪廓掃描最終確定橢圓周長。由于曲折掃描和輪廓掃描之間的重疊很小,觀察到輪廓孔。
640?wx_fmt=png.png
對于 2 個不同大小的橢圓,實驗獲得的頂面形態(tài)如下圖(頂行)所示。較小的橢圓是使用單個輪廓掃描構(gòu)建的,第二個橢圓是使用大塊區(qū)域中的曲折掃描和輪廓掃描構(gòu)建的。大塊顯示曲折結(jié)構(gòu),輪廓掃描的第一個和結(jié)束點由兩個橢圓左上區(qū)域的不規(guī)則性清楚地識別。

下圖的第2 行和第 3 行顯示了最后 40% 的糊狀區(qū)域凝固所需的數(shù)值預(yù)測時間??偰虝r間(隨著溫度從液相線下降計算到固相線)可以推斷為大約 1e6 K/s?;?CLI 的結(jié)果主要受到輪廓掃描期間施加的熱能的影響,“沖刷”掉了曲折掃描產(chǎn)生的結(jié)構(gòu),從而導(dǎo)致與實驗觀察到的結(jié)構(gòu)截然不同。
640?wx_fmt=png.png
基于 CLI 和基于 HDF5 的數(shù)值預(yù)測之間的這種差異首先歸因于模型簡化、累積誤差,并且可能是由于凝固時間不適合按照建議評估表面形態(tài)。基于 CFD 的高保真模型證實了基于 CLI 的結(jié)果觀察到的差異。使用從機器控制器捕獲的信號重復(fù)模擬,將 CLI 文件定義的預(yù)期掃描路徑替換為打印機實際執(zhí)行的操作。捕獲的數(shù)據(jù)通過 HDF5 文件傳輸?shù)侥P汀Mㄟ^比較上圖的頂行和底行可以看出,數(shù)值預(yù)測的表面結(jié)構(gòu)與實驗觀察結(jié)果非常吻合。

CLI 和 HDF5 掃描文件的區(qū)別如下圖所示,其中一系列圖像描繪了激光運動,因為它打印了幾個不同大小的橢圓。深藍色(激光值=−30)表示尚未處理的區(qū)域。激光值為 0(淺藍色)表示激光在關(guān)閉時運動。激光值為 100 的紅線表示打開時的激光路徑。CLI 文件僅定義紅線。
640?wx_fmt=png.png
可以看出,小橢圓(尺寸 < 1.5 mm)的輪廓掃描不是在一次連續(xù)運動中處理的。取而代之的是,輪廓掃描停止,激光在關(guān)閉時四處移動,然后在定位時最終打開,以便它可以繼續(xù)完成橢圓所需的急劇旋轉(zhuǎn)。此行為歸因于 skywriting 算法,該算法用于確保沿整個掃描矢量的掃描速度恒定。因此,控制器調(diào)整 CLI 掃描矢量,將其細分為允許激光在掃描矢量范圍之外加速和減速的部分。如果兩個連續(xù)掃描矢量之間的角度小于 30°,則會激活 Skywriting。這主要發(fā)生在小橢圓上,在大橢圓的情況下,多邊形線彼此之間更傾斜。然而,skywriting 的激活意味著沉積的熔液在橢圓形狀完成之前冷卻下來,這解釋了 CLI 和 HDF5 掃描之間的差異以及相應(yīng)的數(shù)值結(jié)果。無需使用 skywriting 即可處理較大橢圓的輪廓,因此其行為與 CLI 掃描定義非常相似。

基于 CLI 文件的結(jié)果可以看作是理想化的結(jié)果,僅考慮打印所需橫截面的激光軌跡。另一方面,HDF5 文件通過影響激光開/關(guān)時間的控制器行為補充了 CLI 文件信息。

因此,控制器執(zhí)行額外的跟蹤以實現(xiàn)復(fù)雜的鏡像運動序列。在這些額外的軌道中,激光被關(guān)閉,因此處理由 CLI 定義的相同區(qū)域,但增加了掃描軌道之間的時間延遲,導(dǎo)致觀察到的差異。HDF5 文件相應(yīng)地用于所有精細特征研究。

下圖顯示了試樣排列成 5 個塊,分布在一個圓柱形底板上。每組包括一個翼形體(頂行)、等邊三角形(中行)和格子結(jié)構(gòu)(底行)。每種幾何圖形中有 4 個被打印出來,每個幾何圖形都使用不同的策略進行掃描。重復(fù)的幾何形狀可以對結(jié)果進行統(tǒng)計分析。還提供了打印樣本的放大視圖。
640?wx_fmt=png.png
4 種不同掃描策略打印的三角形掃描路徑如下圖。
640?wx_fmt=png.png
暖色表示高溫計測得的過程發(fā)射信號,藍色表示沒有激活激光束的純掃描運動。
3D打印三角形樣品模擬如下圖
640?wx_fmt=png.png
640?wx_fmt=png.png
3D打印三角形樣品實物如下圖
640?wx_fmt=png.png
研究使用島掃描構(gòu)建的三角形,可以推斷島重疊不是最佳設(shè)置的。島之間界面處加工材料的系統(tǒng)性不連續(xù)性可被視為樣本圖像中的較暗線。這一缺陷在模擬結(jié)果中非常明顯。所有的幾何結(jié)構(gòu),包括使用島掃描構(gòu)建翼和網(wǎng)格,都有同樣的錯誤。

沿著三角形周邊向內(nèi)移動的連續(xù)同心掃描需要多個skywriting,使激光能夠沿著三角形周邊移動。這會導(dǎo)致過多的熱量輸入和熔池溢出。三角形輪廓不直,主體區(qū)域表示不規(guī)則的熔池表面。模擬結(jié)果表明,三角形中心區(qū)域的凝固時間顯著增加(>0.5ms)。外周內(nèi)側(cè)也表明輪廓和粉末之間存在一致的斷開,這與相應(yīng)試樣中所見的不同輪廓線相似。對格子結(jié)構(gòu)進行了類似的觀察,其中相互靠近的圓柱形支柱傾向于連接,因為熔池大小與支柱直徑相當。
640?wx_fmt=png.png
然而,值得注意的是,翼型輪廓要好得多,沒有跡象表明翼型周邊的熔池不穩(wěn)定。這歸因于與三角形和格子樣本相比,掃描路徑更長。
同樣值得注意的是,尖端后緣被精確打印。這是由于反射鏡需要額外的激光關(guān)閉掃描,以引導(dǎo)激光繞過尖角。
640?wx_fmt=png.png
同心掃描策略的激光開啟(紅色)和激光關(guān)閉(藍色)掃描路徑。
模擬結(jié)果表明,與三角形試樣相比,翼型和格子的缺陷要小得多;只有中心掃描顯示了一些缺陷,這些缺陷是由于過度的熱量集中在特征的中心。為了提高同心掃描路徑的性能,建議在掃描向內(nèi)移動到幾何中心時降低能量密度。

水平排列的曲折掃描三角形顯示下角的結(jié)果良好,但上角的打印不準確。模擬結(jié)果顯示三角形的下半部分有規(guī)則打印,上角的凝固時間增加。三角形上部曲折掃描長度短,導(dǎo)致更高的能量密度和更長的凝固時間。這導(dǎo)致在樣本中觀察到的上角的凸起表面和不準確的打印。為了減少施加在上(最后)角的能量,曲折策略首先打印三角形橫截面的一側(cè),然后打印另一側(cè)。在這種情況下,上角是準確構(gòu)建的,在樣本或模擬中沒有觀察到任何缺陷。

下圖顯示了翼型和格子結(jié)構(gòu)的曲折掃描策略的結(jié)果。水平曲折導(dǎo)致良好的翼型結(jié)構(gòu),包括后緣的尖銳尖端。這與長掃描線和翼型中心區(qū)域能量密度的均勻性有關(guān)。在打印翼型的上半部分和下半部分時,使用較短的掃描線會導(dǎo)致凝固時間略有增加。然而,這不會導(dǎo)致熔池不穩(wěn)定和整體幾何精度非常好。另一方面,垂直半曲折顯示后緣凝固時間延長,曲折減半處的凝固時間輪廓不連續(xù)。預(yù)計這將導(dǎo)致該接頭處的材料質(zhì)量下降。半曲折最適合打印格子結(jié)構(gòu),半曲折的能量密度降低導(dǎo)致支柱的幾何精度提高,整個幾何形狀的凝固時間均勻性更高。
640?wx_fmt=png.png
結(jié)論

本研究開發(fā)了一種半解析熱模型,允許通過掃描矢量的分辨率來預(yù)測工件的熱歷史。結(jié)果根據(jù)CFD 模型進行了驗證。半解析熱解算器運行時間是有限元和有限體積傳導(dǎo)模型所需時間的一小部分,允許分析和比較不同的掃描策略。研究了幾種標準掃描策略,以分析和確定最適合不同精細特征的精確凈形狀打印的選項。通過操縱激光掃描開/關(guān)時間,發(fā)現(xiàn) Skywriting 在精細特征的準確性中起著關(guān)鍵作用。遺憾的是,構(gòu)建文件中沒有定義一次掃描和下一次掃描之間的時間延遲。

熱模型用于解析工件的熱歷史。液相線和固相線之間的冷卻行為值得關(guān)注。發(fā)現(xiàn) 60% 和 100% 固體之間的時間與表面形態(tài)密切相關(guān),提供了一種簡單的相關(guān)性來評估精細特征表面質(zhì)量。

發(fā)現(xiàn)具有長向量的曲折掃描會導(dǎo)致良好的特征邊緣。隨著矢量長度的減少和多次掃描彼此靠近,能量輸入顯著增加,導(dǎo)致大熔池和打印尖銳特征(例如三角形角)時精度降低。沿著精細特征的周邊進行長掃描可獲得非常好的邊緣精度。當使用周邊掃描尖銳特征(例如三角形角和翼形樣本的后緣)時,Skywriting 被發(fā)現(xiàn)有積極的影響。遺憾的是,skywriting 時間無法由操作員設(shè)置,因此不能將其作為尖角的通用解決方案。同心掃描會導(dǎo)致特征中心能量增加,為了減輕由此產(chǎn)生的缺陷,建議降低功率或提高掃描速度來動態(tài)調(diào)整能量密度。

帶有最終輪廓掃描的曲折掃描在翼型和格子結(jié)構(gòu)的凈形狀精度和表面形態(tài)方面提供了可接受的結(jié)果。隨著掃描矢量長度的減少,工藝參數(shù)的一些優(yōu)化將提高凝固時間的均勻性。本研究采用的掃描策略都不適合三角形特征。

來源:增材研究
聲明:3D打印資源庫(3dzyk)內(nèi)網(wǎng)友所發(fā)表的所有內(nèi)容及言論僅代表其本人,并不代表3D打印資源庫(3dzyk)觀點和立場;如對文章有異議或投訴,請联系kefu@3dzyk.cn。
標簽:
干貨分享:3D打印不同精細輪廓與掃描策略的選擇 
快速回復(fù) 返回頂部 返回列表
云阳县| 东山县| 黑水县| 潞城市| 丹棱县| 翁牛特旗| 大洼县| 五峰| 丹阳市| 航空| 崇左市| 大新县| 上思县| 仪征市| 福泉市| 镇巴县| 绥棱县| 岗巴县| 奉贤区| 金阳县| 嘉义市| 区。| 兰州市| 龙泉市| 杨浦区| 永年县| 枣阳市| 大安市| 淄博市| 镇沅| 平邑县| 东丰县| 上思县| 常熟市| 定兴县| 重庆市| 介休市| 长岛县| 江达县| 长春市| 湖州市|