借助激光喷丸技术在SLM打印时利用预测模型来原位校准变形：借助激光喷丸技术在SLM打印

原标题：借助激光喷丸技术在SLM打印时利用预测模型来原位校准变形
本文介绍了一个混合制造技术，即混合激光增材制造SLM和激光原位喷丸技术（LSP），利用LSP技术来减轻SLM制造过程中在垂直方向上所产生的变形。
LSP在最近被提出用来减少在SLM过程中形成的抗拉残余应力。 LSP对部件变形的影响，然而，并没有并给出详细的研究。据介绍， SLM可以整合LSP在一个设备中来减少SLM部件在打印过程中或打印后的上层的残余应力和变形。为了研究变形的校准能力，一个两阶段的技术框架被提出来，包括SLM工艺和LSP处理的物理为基础的模型。阶段1包括SLM的热机械模拟来预测表面形状，并将其应用到一个模型为四层50微米的316L不锈钢和面积为4mmX4mm的区域。阶段2则包括一个弹性——塑性热机械冲击波的模拟来预测纳秒脉冲红外激光进行LSP表面处理所带来的处理效果。在不同激光光斑，搭接率和部件温度为300到500K变化的时候的表面变形均进行了检查分析。对316LSLM样品，上部的表面在厚度200微米，层数为4层的时候其垂直方向的变形为9微米。在允许2微米的变形的时候，只有44.13%的表面初始符合度。在温度为300K的时候经过LSP处理之后，符合度可以提高到84.75% 。在经过3次LSP处理之后，且50%的激光功率密度进行相应的增加，表面符合度增加到91% ，显示了复合LSM-LSP工艺在减少最后机加工上的优势。
【借助激光喷丸技术在SLM打印时利用预测模型来原位校准变形】

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▲图1a.在SLM工艺进行制造面积为4mm×4mm的316L不锈钢时,制造厚度为200-μm ，每一层厚度为50-μm时,预测的顶部的形貌图(相对最高点)b.在顶部的彩色轮廓区域未能符合指定的一致性标准(非彩色区域是满足2-μm的一致性标准的)
LSM技术是一种广泛应用的3D打印技术，可以实现传统技术很难完成或不能完成的制造。有诸多因素对获得理想的打印部件的宏观性质至关重要。例如，瞬间的温度分布不仅对熔池尺寸和热影响区产生影响，这两个因数控制着显微结构的演化和材料的性质，同时还控制着热机械行为，这直接决定着残余应力，从而导致材料是否变形。事实上， SLM制造时一个最大的限制在于构建每一新层的时候在凝固过程中，液相－固相转变的时候的收缩造成的残余抗拉应力的存在。这一表面收缩受到早先凝固层的限制，底层的限制等，从而造成分层和扭曲效应的发生。在不断堆积的过程中和抗拉残余应力(简写为TRS)的不断积累,打印后的制品的机械性能也会出现材料异性的现象.由于TRS的存在，当TRS存在的位置不适合的时候，就会由于疲劳性能的降低和裂纹扩展所需要的关键应力的幅度变低的时候就会对机械性能产生非常严重的后果．为了解决这一矛盾，后处理工艺包括热等静压和炉内热处理等就不得不用来进行消除和减少TRS．此外， LSP表面后处理工艺已经用来进行SLM样品的残余应力的改善上．采用LSＰ对SLM样品进行后处理所带来的好处有减轻TRS所造成的不利影响，降低应力强度的影响因素，提高疲劳裂纹的愈合等。

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▲图2a.提出来的包括一个表面轮廓光学扫描传感器用于生成输入给原位LSP的成形系统的示意图,来减轻SLM诱导产生的变形.b通过诱导的激光脉冲在工件中产生的冲击波和在界面处的膨胀等离子体
结合以上的讨论，可以得出SLM技术在加工时会产生并不期望的变形，同时在打印的部件中存在TRS．测量以上两个参数，尚需要进一步的深入了解其背后的机理．当前的研究主要集中在如何减轻TRS上，很少有工作是关于SLM过程中变形的预测，更不用说如何减轻这一现象的发生了．正如本研究所提到的，在SLM沉积４层50μm（制造高度为200μm）的316L不锈钢，预测到在垂直方向的顶部的大约有９μm的最大值的变形，这表明在垂直方向有大约４.５％的尺寸误差．在一个没有最终校准的工艺过程中，这一尺寸偏差将会最终导致该部件被废弃掉．在这一工作中在垂直方向上的打印误差被称之为超高．相似的变形行为已经被Li通过多尺度模拟观察到了这一现象．他们观察到部件在扫描过程中的凹面偏转现象，这是热积累造成的．在冷却过程中，凸面偏转就会被观察到，而在边缘或者棱角处的部件就会升起（或者升高），朝向热源的方向，而中心区域则呈现出偏转离开热源的方向．注意到顶部表面的平整程度对确保随后的再涂层的均匀厚度至关重要，因为不均匀的厚度会对熔化和凝固特征造成不利的影响．最近关于金属３D打印过程中的粗糙表面的生成对部件变形的影响也提供了深层次的理解支持。