引用論文

Yupei Tian, Jian He, Huilin Ren, Xinmeng Zha, Kaijie Lin, Mingdong Zhou, Yi Xiong. Effect of Process and Geometric Parameters on Residual Distortion of Ti-6Al-4V Body-Centered Cubic Lattice Structures in Laser Powder Bed Fusion. Additive Manufacturing Frontiers, Volume 3, Issue 4, 2024, 200170.

https://doi.org/10.1016/j.amf.2024.200170.

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1研究背景及目的

激光粉末床熔融技術（Laser Powder Bed Fusion, LPBF）的出現為制造復雜設計的輕量化結構提供了一種傳統方法難以實現的有效解決方案。然而，具有獨特中空特征的晶格結構在LPBF過程中面臨較大的制造挑戰和顯著的變形。本研究填補了關于使用LPBF制造的體心立方晶格結構中殘余應力產生機制的研究空白，并探討了影響殘余變形的主要因素及其與實體結構不同的影響規律。

2論文亮點

（1）通過非接觸式坐標測量儀測量了懸臂梁結構從構建基板上移除后的殘余變形。

（2）探究了使用LPBF制造體心立方晶格結構中殘余應力產生機制。

（3）研究了幾何高度、點陣桿徑、掃描方式以及激光功率對懸臂梁結構殘余變形的影響規律。

（4）分析了晶格結構殘余變形與實體結構影響因素及規律性不同的原因。

圖 1. (a) 體心立方晶格填充懸臂梁結構示意圖。變量 "h "表示臂厚度，即不含支柱的懸臂梁高度。晶格桿徑表示晶格單半徑的厚度；（b）兩類掃描策略示意圖。

圖 2. 晶格結構中殘余應力的產生機制有兩個過程：新層受熱時的熱膨脹和熱源移除后的收縮。該產生機制通過正視圖和俯視圖顯示。

3試驗方法

通過LPBF技術，使用不同的激光功率和掃描策略，制造了具有不同幾何高度和桿徑尺寸的體心立方晶格懸臂梁結構。這些懸臂梁結構采用了之前研究中常用的基準設計，以研究零件的殘余變形。通過使用非接觸式坐標測量機（Faro-arm），測量了晶格懸臂梁結構從建筑基板上移除后的殘余變形。研究探討了懸臂梁的幾何高度、晶格桿徑尺寸、掃描策略和激光功率對體心立方晶格結構殘余變形的影響因素。

圖 3. 采用LPBF工藝制造的懸臂梁結構（a）切割前（b）切割后；（c）測量變形的 Faro-Arm；（d）Faro-Arm 掃描后懸臂梁結構的點云測試圖；（e）重復測試點位置和變形定義。

4結果

（1）與實體結構相比，晶格結構由于其獨特的中空特性，產生了較大的溫度梯度，從而導致更大的殘余應力和變形。

（2）晶格結構由于其特殊的橢圓形打印區域，導致掃描策略的影響規律不同于實體結構。45°掃描線產生的變形最大，大約是最小變形的2倍。與實體結構相比，67°旋轉掃描策略對晶格結構中殘余應力的累積影響較小。

（3）晶格結構的殘余變形隨晶格桿徑的增加而增大。而隨著幾何高度的增加，由于剛度增強，殘余變形減小。

（4）與實體結構不同，晶格結構的打印區域更小且更分散，因此激光功率的變化對殘余應力和變形的影響較小。

圖 4. 不同掃描策略對臂厚度為 (a) 8 mm和 (b) 10 mm的懸臂梁變形量的影響；（c）晶格結構切片層中實際打印區域示意圖；紅色虛線框表示一個單胞的打印區域；（d）不同掃描策略下晶格結構中的實際掃描路徑。

圖 5. (a) 晶格桿徑（體積分數）與變形量之間的相關性；(b) 晶格桿徑與實際打印面積之間的關系。

圖 6. (a) 懸臂梁結構臂厚度與變形量之間的關系；(b) 不同臂厚度下激光功率與變形量之間的關系。

5結論

本研究填補了關于使用LPBF制造的體心立方晶格結構中殘余應力產生機制的研究空白。此外，還分析研究了影響殘余變形的主要因素以及與實體結構不同的影響規律。結果表明，增加幾何高度、減小晶格桿徑和采用具有層內0°或90°旋轉掃描線的掃描策略可以有效減少殘余變形。45°旋轉掃描線的掃描策略產生的殘余變形最大，大約是最小變形的2倍。同時，由于晶格結構的打印區域較小且分散，激光功率對晶格結構的殘余變形影響很小。

6前景與應用

晶格結構是一種典型的輕量化設計，最大限度地減少了材料的使用，同時提高了強度和穩定性，使其成為航空航天、汽車和生物技術等重量敏感行業的理想選擇。通過揭示晶格結構中殘余應力的產生機制及其殘余變形的影響因素，可以提高通過激光粉末床熔融技術制造的成功率和品質，從而大大增強其應用潛力。

關于團隊

作者介紹

熊異（通訊作者），南方科技大學系統設計與智能制造學院助理教授，博士生導師，深圳市海外高層次人才, 珠江人才計劃創新創業團隊核心成員。2016年獲芬蘭阿爾托大學工程設計與制造專業博士學位。2016年至2020年，歷任比利時法蘭德斯制造研究所長聘工程師、新加坡科技與設計大學數字制造和設計中心研究員（二級）, 參與多項工業級增材制造軟硬件系統的開發。長期從事智能增材制造與機械優化設計交叉領域研究，當前研究方向包括：智能化設計與制造、復合材料增材制造、面向增材制造的設計、智能材料與結構。作為技術骨干，參與完成多項由歐盟第七框架，新加坡國家研究基金會，比利時法蘭德斯科技創新局，芬蘭科學院資助的項目，在Nature Communications、Additive Manufacturing 等國際學術期刊上發表論文近50篇。擔任Composites Communications 和Journal of Engineering Design 等客座編輯, AMF青年編委，Engineering Reports青年編委，IEEE-ASME T MECH等國際期刊審稿人和比利時VLAIO基金評審專家。目前承擔有科技部重點研發計劃項目課題、國家自然科學基金青年項目、廣東省自然科學基金面上項目、廣東省普通高校重點領域專項（高端裝備制造）、深圳市科創委面上項目等多項。

團隊研究方向

1. 機械設計學：

面向增材制造的設計優化、 復雜工程產品的設計理論與方法

2. 智能制造系統與產品：

復合材料增材制造、 自適應工藝規劃

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作 者：田雨沛

責任編輯：李 娜

責任校對： 金 程

審 核： 張 強

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