选区激光熔化(Selective Laser Melting, SLM)技术作为一种最有发展前景和优势的增材制造技术，能够基于三维模型快速而精确地制造任意复杂形状的零件，解决了传统加工技术难以实现的复杂零件成形问题，为实现三维零件的自由制造提供了有力支撑。然而，SLM成形特征结构件仍面临着巨大挑战，针对内部结构精细复杂，成形精度要求高的带悬垂结构零件模型，在SLM成形过程中需配合添加支撑结构进行约束辅助。但在成形至支撑上方1~2 mm时，悬垂结构极易出现翘曲缺陷，将严重影响所成形零件的尺寸精度以及成形表面结构的质量。
近日，我院姚建华团队杨高林老师在《中国表面工程》2023年第3期发表封面论文《分区尺寸对选区激光熔化成形316L表面结构的影响》一文，文中使用不同分区尺寸的激光扫描策略成形规格相同的带支撑正方形悬垂结构，对激光分区尺寸对SLM成形表面结构的影响进行研究，为提高SLM成形带支撑悬垂结构的尺寸精度和表面形貌提供理论基础。
图1.SLM成形试验支撑结构排布方式
以带支撑方形悬垂结构为研究对象，使用不同分区尺寸的激光扫描策略成形规格相同的带支撑正方形悬垂结构，结合数值模拟与成形试验，从表面原始轮廓的形状误差、波纹度与表面粗糙度三个不同波距的表面结构进行研究。得出以下重要结论：
（1）随着分区尺寸的逐渐减小，成形件内部残余应力的分布更均匀，成形件边缘处的翘曲趋势逐渐降低，形状误差减小；分区内单道熔池的宽度逐渐增加，单道熔池的凸起程度逐渐降低，表面粗糙度得到改善。
（2）通过调节工艺参数来降低能量输入可改善分区尺寸减小时波纹度增加的情况，且降低激光功率的方式比提高激光扫描速度对表面波纹度的改善效果更为明显。
（3）当分区尺寸减小到一定程度时，分区的成形先后顺序对各分区成形表面颗粒粘附物数量与分布情况的影响更为凸显，后成形的分区表面粗糙度优于先成形的分区。
图2.SLM成形试样轮廓图
图3.SLM成形表面中线轮廓曲线图
图4.SLM成形试样单道熔池截面尺寸及熔池轮廓起伏高度
激光选区熔化技术能够基于三维模型快速而精确地制造任意复杂形状的零件，解决了传统加工技术难以实现的复杂零件成形问题，为实现三维零件的自由制造提供了有力支撑。SLM技术从小零件、高精度成形起步，成形尺寸不断扩大，成形效率不断提高，从航空航天领域逐步向各个领域渗透，包括运载火箭箭体中复杂结构的制造；在汽车制造领域，SLM技术也开始应用于各种复杂金属构件的制造，比如热交换器等；在模具制造领域，SLM技术主要用于带有内流道的复杂随形冷却的模具，可以使模具性能大幅度提高等。如果能解决SLM过程中的翘曲问题，其应用的空间将更加广泛。
姚建华，教授，博士生导师，浙江省特级专家，现任浙江工业大学机械工程学院院长、激光先进制造研究院院长，高端激光制造装备省部共建协同创新中心（国家2011计划）主任，激光绿色制造技术创新引智基地（国家111计划）负责人。兼任中国机械工程学会理事、特种加工分会副理事长、热处理分会常务委员，中国光学工程学会理事，中国光学学会激光加工专业委员会常务委员，全国光辐射安全和激光设备标委会大功率激光器应用委员会主任委员等职。长期致力于激光智能制造、激光表面改性、激光增材制造与再制造技术的基础与应用研究。先后主持国家重点研发计划项目、国家基金重点项目、国家基金-两化融合联合基金、国家重点国际科技合作项目等项目120余项。在国内外期刊上发表论文400余篇，SCI/EI收录300余篇，出版专著4部，主编高等专业教材8部，授权发明专利70余项。作为第一完成人，获得国家科技进步二等奖1项，浙江省科技一等奖2项、二等奖1项、三等奖1项，中国机械工业科技一等奖2项、二等奖1项，中国专利优秀奖、浙江省首届专利金奖各1项。入选国家百千万人才工程、浙江省首批万人计划杰出人才、浙江省151人才工程第一层次，获得“国家有突出贡献中青年专家”、“周志宏科技成就奖”、“浙江省有突出贡献中青年专家”、“浙江省高校优秀教师”、“浙江省高校创先争优优秀共产党员”等荣誉。
杨高林，讲师，自2008年攻读博士学位开始从事激光增材制造与再制造技术方面的研究工作至今。在该领域发表SCI论文11篇，EI论文5篇。为上海电气电站集团股份有限公司，青岛捷能汽轮即集团有限公司，平湖中州重型机械有限公司和辽宁巨子实业股份有限公司等企业提供激光增材再制造服务。在2018年获得中国机械工业科学技术一等奖。
论文信息
杨高林, 朱兆恒, 李梓杉, 李贺杰, 吴国龙, 张群莉, 王梁, 姚建华.分区尺寸对选区激光熔化成形316L表面结构的影响[J]. 中国表面工程, 2023, 36(3): 74-86.
YANG Gaolin, ZHU Zhaoheng, LI Zishan, LI Hejie, WU Guolong, ZHANG Qunli, WANG Liang, YAO Jianhua. Influence of Divisional Size on Structural Quality of 316L Parts Printed by Selective Laser Melting[J]. China Surface Engineering, 2023, 36(3): 74-86.
