轻质结构的激光金属沉积设计原则

与重量息息相关的应用，例如航空航天工业中的零部件是由轻量化设计所驱动的。钛合金由于具有优异的机械性能，从而在轻量化结构部件的设计方面展现出巨大潜力。如今，结构件通过采用传统的铣削工艺制造而成。钛零件的特点是其铣削性能差，以及会产生高达95％的材料浪费率。在此情况下，激光金属沉积（LMD）是一种用于生产三维复杂零件理想的分层制造工艺。

激光金属沉积是基于喷嘴式粉末来制造部件的，并且该粉末通过一款激光器进行固化。LMD工艺可用于表面包覆，部件修复和堆积。然而要使该工艺实现有效的工业应用，必须要识别出其所有的优点和缺点。通过在产品早期的研发过程中设计指导方针来帮助工程师，能够大幅减少各种障碍。如同选择性激光熔化（SLM）工艺一样，现有的制造原则及方针已难以为继。由于复杂的工艺限制，针对LMD工艺已经开发出一套设计原则。

复杂的零件通常是以简单的几何形状为基础的。对这些形状进行鉴别后，以评估激光金属沉积工艺的适用性和有效性。遵循既定的轻量化设计原则，本原则侧重于精细结构。除了可制造性之外，还研究了构建精度和表面粗糙度，因为这两者都对产品质量产生重大影响，并且确定是否有必要对零件的最终形状进行后加工。

找出工艺约束的原因

使用通快公司生产的Trumpf TruDisk 6001多模式连续型碟片激光器开展研究，激光器的激光功率为6kW，波长为1.03μm。结合使用一个三喷嘴加工头与一个旋转台式进料器（图1）。所使用的球形钛合金粉末被筛分至小于80μm。

图1： 通快的机器人激光焊接系统TruLaserRobot。

在初步的设计原则中已确定了三种不同的构建策略。 图2显示了不同的构建策略。 在S1中，通过层之间的逐步偏移（α）（α=β= 0°）实现倾斜。 在S2中，通过旋转平台以达到倾斜。该结构是垂直构造的，层与层之间没有偏移。在S3中，将加工头旋转至结构的倾斜角。该结构可以在无偏移的情况下打造。 除了三种单一的构建策略之外，这些策略的组合形式也是可能的，不过当前还未予以考虑。

图2：S1: 层之间的水平偏移：S2: 平台的旋转，S3: 加工头的旋转

上述提及的精细结构被归类为薄壁、弯曲壁、聚集态结构和聚合结构。制造的结构的宽度已被设置为单层宽度。长度已设定为50mm。

薄壁

倾斜薄壁的积聚机理已经得到研究

◆与平台的连接；

◆引力的影响；

◆构建精度；

◆对薄壁表面的影响。

两种构建策略都产生了一个恒定的和可比的壁厚（见图3）。它随着约150μm的表面粗糙度而发生变化。测量角度的变化小于1°。

图3：用S2 和S3 制造的倾斜壁测得的壁厚。

部件的表面质量对外观、BTF比率（buy-to-fly ratio，即制造一个零部件所需的原材料量与最终零部件中所含材料量的比率，往往是零部件生产高成本的根源所在）以及疲劳强度等都有影响。随着倾斜角度的增加，表面粗糙度的平均值保持不变。S3的表面粗糙度约比S2高出15μm。

弯曲壁

弯曲壁可以在半径和角度上有所不同。弯曲壁可以分成曲线，其旋转轴线平行并垂直于构建物的方向（z轴，图4）。 图5中可以看到不同半径的弯曲壁的垂直结构。

图4：垂直（a）于构建方向以及平行于（b）构建方向的曲线元素示意图。

构建的弯曲壁的半径比预期的要小0.15mm至0.4mm。预期的垂直边缘（半径0mm）会产生3.58mm的外半径。在没有后处理的情况下，边缘应设计为允许半径达到层宽度。 与半径无关的偏差允许在可重复的公差范围内进行制造。

图5：一组半径为0mm（ 左） 至30mm（ 右）的平行弯曲元件。

聚焦和分割结构

区分聚集和分割结构是基于LMD中不同的构建战略和约束的必要性决定的（图6）。

图6：具有构建方向的三个限定的聚集和分隔结构的草图：（a）Y 分支，（b）悬垂以及（c）反向Y 分支。

通过使用S3来实现常规和反向Y型分支的制造。为了获得理想的结果，推荐交替绑定分支侧边。（图7）。

图7： Y 形分支（左图）的草图，打造了角度为β1=β2= 30°和β1=β2= 45°（如右）的Y 形分支。

此外，在垂直壁上构建悬垂物（图8）并对其进行评估：

◆粗糙的壁薄和构造的壁之间的连接；

◆构建精度；

◆边界限制。

悬垂物的测量角度具有小于1°的角度偏差，直至与重力的制造角度形成直角（表1）。这可比拟倾斜壁。这表明，可以在薄壁上制造具有相同或较小宽度的悬垂物。

表1

表1测得悬垂物的倾斜角度。 根据VDI 2222标准的设计目录收集了来自实验研究的指导方针。

图8：打造的悬垂物的倾斜角度为30°到90°。

结语和展望

激光金属沉积工艺为零件设计提供了高度的自由度。 轻质部件可以从这种灵活性中受益。 通过设计方针帮助工程师在设计过程中利用LMD工艺的优缺点，可以实现工业应用。

实验研究指出，基于基本形状的结构可以生产出恒定的几何形状和表面公差，从而使得可靠的最终加工便为可能。这是成功设计过程的基础。构建策略S2和S3可以获得应用。S2和S3的可比结果允许为特定使用案例选择更好的拟合策略。

通过专注于轻量化应用，已经实现了以下几个方面：

◆基本形状的调查和制造；

◆确定过程约束；

◆设计原则的草本。

综上所述，设计目录的开发为实现LMD工艺的综合设计原则迈出了扎实的第一步。