Smart Fusion --反馈回路控制
均质微结构
2025年3月24日 | 阅读时间：7分钟 | 作者：Tobias Novotny、Narges Mirzabeigi、Dominik Kunz、Ulrich Kleinhans托比亚斯-诺沃特尼、纳格斯-米尔扎贝吉、多米尼克-昆茨、乌尔里希-克莱因汉斯
过热是激光金属粉末床熔化（PBF-LB/M）的一大难题，它会影响复杂特征和平面悬伸的可制造性、下表面的质量以及成品部件的材料特性。虽然我们在过去已经展示了如何 Smart Fusion反馈回路控制系统如何减少对支撑结构的需求，本文旨在展示其对热历史和微结构形成的影响。我们与光子技术研究所（LPT）合作，比较了标准开环工艺与Smart Fusion 闭环工艺在引发热量积聚的几何形状中的应用。我们发现，Smart Fusion 能够确保整个制造过程中的热特征保持一致，从而显著改善微结构的均匀性和硬度。
过热和Smart Fusion的基础知识
在 PBF-LB/M 中，激光会在每一层重复向零件输送能量。如果能量不能从加工区充分传递出去，热量就会在构建过程中积聚，最终导致过热。AM 应用工程师非常清楚过热的风险，他们一直都有办法来减轻过热的影响。
应对过热的常见方法包括
- 增加等待时间，如最小层或矢量时间，以增加冷却时间
- 使用更多的支撑结构，使热量更好地传导到构建板中
- 降低加工过程中的能量输入，例如降低激光功率
然而，等待时间和支持量的增加会导致更长的构建时间和更高的零件成本，而减少能量输入的参数可能会影响零件密度。我们需要一种不同的解决方案。
图 1 显示了一些具有常见几何特征、容易过热的示例性构建工作，以及使用和不使用Smart Fusion时的相应热特征。
在复杂的几何结构中，例如 AlSi10Mg 支架，热量会在悬臂或小特征限制热流的地方积聚。为了达到稳定的条件，需要降低这些区域的激光功率。
在暴露面积小、层间时间短的构建作业中，如 MS1 模具插入作业，热量通常会从一层累积到另一层。这会导致工件表面温度不断升高，直至达到平衡。因此，需要在构建高度上逐渐减少能量输入。
理想情况下，能量输入应根据零件的几何形状和构建工作负荷（即层时间）进行动态调整。这样做的目的是使部件内的热条件保持稳定。
一种可行的解决方案是在构建过程中测量热信号，并使用控制器根据获取的测量数据在本地调节能量输入。我们的闭环控制系统Smart Fusion 可监控光学断层扫描（EOSExposure OT）记录的灰度值，将其与特定材料和工艺的目标灰度值进行比较，并在下一层的微矢量级别上相应地调整激光功率。
图 2 展示了Smart Fusion的工作原理。在观察工艺外观时，Smart Fusion 所带来的不同之处立竿见影。
下面的视频展示了使用Smart Fusion 和标准开环工艺对一个具有挑战性的几何图形的示例图层进行曝光的过程，以进行比较。图 3 显示了该几何图形和两个流程的对比快照。
为了在本研究中显示过热的影响，我们选择了一个由三个倒置的圆锥体（"热累积演示器"）组成的测试几何体，该几何体在以前的研究中也曾使用过。在该演示器中，由于连接圆柱体较细，成为热瓶颈，因此锥体中的热量积累很快。如果没有Smart Fusion ，就会导致在零件暴露后的很长一段时间内，都能看到发热的零件表面。
虽然我们的标准工艺参数具有抗过热的能力，但它们是多种因素的最佳折衷，因此对于极端几何形状或过短的层时间来说并不理想。使用这些工艺参数通常产生的工艺特征（即平均 GV）作为Smart Fusion 的目标，可确保获得理想的结果，即使是非常复杂的零件也不例外。
热历史及其对微观结构的影响
通过 PBF-LB/M 加工的零件会经历独特的热历史，即熔池中极快的冷却速度，以及相邻扫描矢量和后续层暴露时先前凝固材料的循环再加热。发生过热时，初始冷却的变化和随后在高温下的保温都会影响微观结构的演变。
材料凝固前一层的表面温度决定了当前材料层的冷却温度。如果这些温度达到发生相变的水平，如钢材的马氏体起始温度（Ms），坯料的相组成就会受到严重影响。如果马氏体转变最初受到抑制或无法完全完成，就会出现较高水平的残留奥氏体，从而导致硬度降低。
如果高温在零件的某一区域停留足够长的时间，就会发生加工过程中的沉淀硬化。因此，层时间对于加工过程中沉淀物的形成至关重要，而且沉淀物很可能会根据构建过程中的当前条件而发生变化。局部沉淀会导致硬度不均匀，并可能增加脆性。
在高温下，PBF-LB/M 中形成的典型凝固结构（如 AlSi10Mg 中的富硅网络）开始变粗甚至溶解。这会大大降低成品强度（测试中硬度损失高达 44%）。
在这一过程中，严重的热积累会导致已经凝固的材料回火。在由 Ti6Al4V 制成的具有挑战性的几何形状中，观察到了回火马氏体，这种马氏体更粗糙，更像板条，而不是传统的针状马氏体。
后续层的循环再加热也会通过 "回火 "已经凝固的材料来影响微观结构。顶层与其他层之间的差异通常归因于这种效应。过热会影响循环再加热的结果，因为回火效应的发生需要层间冷却。
总之，制造过程中不一致的热条件会导致局部微观结构变化和相应的机械性能变化。在将测试样品与实际零件进行比较时，这些变化可能会导致意外的性能偏差，因此需要额外的热处理（如固溶处理）步骤来解决。
利用Smart Fusion提高EOS MaragingSteel MS1 的均质性能
目前，常见 PBF-LB/M 材料的典型微观结构已广为人知。例如，图 6 展示了EOS MaragingSteel MS1（类似于 1.2709）的坯料微观结构的一些特征。
蚀刻显示出鱼鳞状的熔池图案，熔池边界清晰。在细节图像中可以看到马氏体板条簇。MS1 在坯料状态下是典型的马氏体，并含有少量残留奥氏体。在扫描电子显微镜的高倍放大镜下，蜂窝状和柱状凝固结构清晰可见。
图 7 比较了使用和未使用Smart Fusion的蓄热演示器的微观结构。
启用Smart Fusion 后，整个样品都能观察到一致的蚀刻响应。与此相反，在未启用Smart Fusion功能的样品中，热瓶颈上方出现了黑暗的蚀刻区域，而不是传统的明亮蚀刻反应。仔细观察，可以观察到蜂窝状凝固结构的部分分解。暗蚀刻区域的硬度明显更高，最高可达 540 HV（比通常高出 100 HV 以上）。这表明发生了明显的原位沉淀。
在没有Smart Fusion的情况下，为了防止重涂机接触到过热工件的卷曲边缘，该构建工作使用了最短 40 秒的曝光时间。由于启用了Smart Fusion 功能，因此无需等待时间就能制造出零件。图 8 显示了不同设置下的显微照片和硬度曲线对比。
显微照片显示，即使没有最小层时间，反馈回路也能有效地控制热条件，生产出高密度的零件。此外，在整个制造高度上还实现了异常一致的硬度。层与层之间没有等待时间，很可能防止了沉淀物的形成，而沉淀物可能会在材料被后续层回火时产生。
结论
PBF-LB/M 工艺过程中的过热会导致微观结构发生显著变化，这取决于零件的几何形状和层时间。即使在最具挑战性的条件下，Smart Fusion 也能确保热曲线的一致性。通过动态减少必要的能量输入，可以在不降低 MS1 和 Ti6Al4V 生产率的情况下实现更均匀的性能。
我们的研究结果表明，Smart Fusion 尤其适用于：
- 为热流受限的复杂零件提供更一致的微观结构
- 微观结构更加一致，可减少或消除最短分层时间，实现低构建作业负荷
- 在一定程度上保留坯料微观结构的热处理（如直接时效处理）
- 探索量身定制的微结构和性能
Smart Fusion 对其他材料的微观结构有何影响？我们不断对Smart Fusion 与各种材料的性能进行广泛测试。请随时联系我们！
资料来源和进一步阅读：
Nahr F, Novotny T, Kunz D, Kleinhans U, Chechik L, Bartels D, Schmidt, M. Advanced process control in laser-based powder bed fusion–Smart Fusion feedback-loop control as a path to uniform properties for complex structures?. JMRT 2025;34:604-618. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.12.014.
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