3D打印輪廓特征的精度決定了表面光潔度、工件疲勞行為以及后處理程度。盡管掃描策略對(duì)于3D產(chǎn)品質(zhì)量方面起著關(guān)鍵作用，但以數(shù)字方式研究掃描策略對(duì)熱歷史影響的研究較少，特別是根據(jù)所需的凈形狀選擇合適的掃描策略。德國(guó)弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所、法國(guó)ESI聯(lián)合研究了鎳基高溫合金Inconel 718的幾種掃描策略，以分析和確定最適合不同精細(xì)特征的3D打印工藝。

大多數(shù)預(yù)處理軟件解決方案都提供多種不同的掃描策略。在下圖中描繪了不同掃描策略的掃描路徑。

條紋掃描（線掃描）是一種簡(jiǎn)單的矢量排列方式。由于矢量長(zhǎng)度有限，這種掃描策略的優(yōu)點(diǎn)是在熔化過(guò)程中熱分布更均勻。（如下圖a）

曲折條紋掃描是條紋掃描的一種特殊形式。它是創(chuàng)建一個(gè)具有180°轉(zhuǎn)向的連續(xù)矢量，最大矢量長(zhǎng)度沒(méi)有限制。（如下圖a）

棋盤(pán)掃描（島形掃描），掃描層被分為若干成正方形區(qū)域。這種掃描策略旨在減少零件中由工藝引起的應(yīng)力。（如下圖b）

同心掃描是輪廓掃描的一種。這種策略對(duì)于非常小的掃描區(qū)域特別有利，例如，格子結(jié)構(gòu)。（如下圖c）

本研究中，使用上面介紹的掃描策略構(gòu)建具有不同幾何形狀和結(jié)構(gòu)的樣品。形狀包括橢圓形、三角形、翼型和格子。這些部件的幾何尺寸列于表 1中。

使用 D 50  = 30 μm 的Inconel 718 合金粉末，掃描參數(shù)如表 2。

CLI 構(gòu)建文件被發(fā)送到 LPBF 機(jī)器，描述每個(gè)層的掃描路徑。在構(gòu)建期間，在線監(jiān)控器捕獲控制器信號(hào)，以便除了在過(guò)程中捕獲的熱輻射之外，激光位置和狀態(tài)始終是已知的。

CLI文件也被提交給熱解算器以預(yù)測(cè)處理材料的質(zhì)量。下圖顯示了經(jīng)過(guò)處理以打印 2 mm寬橢圓的層的熔化區(qū)域。在模擬的一個(gè)階段完全熔化（溫度至少達(dá)到液相線）的計(jì)算單元的“熔化”值為 1。沒(méi)有經(jīng)過(guò)激光處理和/或根本沒(méi)有熔化的單元的值為 0 。首先使用曲折條紋掃描路徑處理，然后使用輪廓掃描最終確定橢圓周長(zhǎng)。由于曲折掃描和輪廓掃描之間的重疊很小，觀察到輪廓孔。

對(duì)于 2 個(gè)不同大小的橢圓，實(shí)驗(yàn)獲得的頂面形態(tài)如下圖（頂行）所示。較小的橢圓是使用單個(gè)輪廓掃描構(gòu)建的，第二個(gè)橢圓是使用大塊區(qū)域中的曲折掃描和輪廓掃描構(gòu)建的。大塊顯示曲折結(jié)構(gòu)，輪廓掃描的第一個(gè)和結(jié)束點(diǎn)由兩個(gè)橢圓左上區(qū)域的不規(guī)則性清楚地識(shí)別。

下圖的第2 行和第 3 行顯示了最后 40% 的糊狀區(qū)域凝固所需的數(shù)值預(yù)測(cè)時(shí)間。總凝固時(shí)間（隨著溫度從液相線下降計(jì)算到固相線）可以推斷為大約 1e6 K/s?；?CLI 的結(jié)果主要受到輪廓掃描期間施加的熱能的影響，“沖刷”掉了曲折掃描產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致與實(shí)驗(yàn)觀察到的結(jié)構(gòu)截然不同。

基于 CLI 和基于 HDF5 的數(shù)值預(yù)測(cè)之間的這種差異首先歸因于模型簡(jiǎn)化、累積誤差，并且可能是由于凝固時(shí)間不適合按照建議評(píng)估表面形態(tài)。基于 CFD 的高保真模型證實(shí)了基于 CLI 的結(jié)果觀察到的差異。使用從機(jī)器控制器捕獲的信號(hào)重復(fù)模擬，將 CLI 文件定義的預(yù)期掃描路徑替換為打印機(jī)實(shí)際執(zhí)行的操作。捕獲的數(shù)據(jù)通過(guò) HDF5 文件傳輸?shù)侥Ｐ汀Ｍㄟ^(guò)比較上圖的頂行和底行可以看出，數(shù)值預(yù)測(cè)的表面結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果非常吻合。

CLI 和 HDF5 掃描文件的區(qū)別如下圖所示，其中一系列圖像描繪了激光運(yùn)動(dòng)，因?yàn)樗蛴×藥讉€(gè)不同大小的橢圓。深藍(lán)色（激光值=−30）表示尚未處理的區(qū)域。激光值為 0（淺藍(lán)色）表示激光在關(guān)閉時(shí)運(yùn)動(dòng)。激光值為 100 的紅線表示打開(kāi)時(shí)的激光路徑。CLI 文件僅定義紅線。

可以看出，小橢圓（尺寸 < 1.5 mm）的輪廓掃描不是在一次連續(xù)運(yùn)動(dòng)中處理的。取而代之的是，輪廓掃描停止，激光在關(guān)閉時(shí)四處移動(dòng)，然后在定位時(shí)最終打開(kāi)，以便它可以繼續(xù)完成橢圓所需的急劇旋轉(zhuǎn)。此行為歸因于 skywriting 算法，該算法用于確保沿整個(gè)掃描矢量的掃描速度恒定。因此，控制器調(diào)整 CLI 掃描矢量，將其細(xì)分為允許激光在掃描矢量范圍之外加速和減速的部分。如果兩個(gè)連續(xù)掃描矢量之間的角度小于 30°，則會(huì)激活 Skywriting。這主要發(fā)生在小橢圓上，在大橢圓的情況下，多邊形線彼此之間更傾斜。然而，skywriting 的激活意味著沉積的熔液在橢圓形狀完成之前冷卻下來(lái)，這解釋了 CLI 和 HDF5 掃描之間的差異以及相應(yīng)的數(shù)值結(jié)果。無(wú)需使用 skywriting 即可處理較大橢圓的輪廓，因此其行為與 CLI 掃描定義非常相似。

基于 CLI 文件的結(jié)果可以看作是理想化的結(jié)果，僅考慮打印所需橫截面的激光軌跡。另一方面，HDF5 文件通過(guò)影響激光開(kāi)/關(guān)時(shí)間的控制器行為補(bǔ)充了 CLI 文件信息。

因此，控制器執(zhí)行額外的跟蹤以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的鏡像運(yùn)動(dòng)序列。在這些額外的軌道中，激光被關(guān)閉，因此處理由 CLI 定義的相同區(qū)域，但增加了掃描軌道之間的時(shí)間延遲，導(dǎo)致觀察到的差異。HDF5 文件相應(yīng)地用于所有精細(xì)特征研究。

下圖顯示了試樣排列成 5 個(gè)塊，分布在一個(gè)圓柱形底板上。每組包括一個(gè)翼形體（頂行）、等邊三角形（中行）和格子結(jié)構(gòu)（底行）。每種幾何圖形中有 4 個(gè)被打印出來(lái)，每個(gè)幾何圖形都使用不同的策略進(jìn)行掃描。重復(fù)的幾何形狀可以對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。還提供了打印樣本的放大視圖。

4 種不同掃描策略打印的三角形掃描路徑如下圖。

暖色表示高溫計(jì)測(cè)得的過(guò)程發(fā)射信號(hào)，藍(lán)色表示沒(méi)有激活激光束的純掃描運(yùn)動(dòng)。
3D打印三角形樣品模擬如下圖

3D打印三角形樣品實(shí)物如下圖

研究使用島掃描構(gòu)建的三角形，可以推斷島重疊不是最佳設(shè)置的。島之間界面處加工材料的系統(tǒng)性不連續(xù)性可被視為樣本圖像中的較暗線。這一缺陷在模擬結(jié)果中非常明顯。所有的幾何結(jié)構(gòu)，包括使用島掃描構(gòu)建翼和網(wǎng)格，都有同樣的錯(cuò)誤。

沿著三角形周邊向內(nèi)移動(dòng)的連續(xù)同心掃描需要多個(gè)skywriting，使激光能夠沿著三角形周邊移動(dòng)。這會(huì)導(dǎo)致過(guò)多的熱量輸入和熔池溢出。三角形輪廓不直，主體區(qū)域表示不規(guī)則的熔池表面。模擬結(jié)果表明，三角形中心區(qū)域的凝固時(shí)間顯著增加（>0.5ms）。外周內(nèi)側(cè)也表明輪廓和粉末之間存在一致的斷開(kāi)，這與相應(yīng)試樣中所見(jiàn)的不同輪廓線相似。對(duì)格子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了類(lèi)似的觀察，其中相互靠近的圓柱形支柱傾向于連接，因?yàn)槿鄢卮笮∨c支柱直徑相當(dāng)。

然而，值得注意的是，翼型輪廓要好得多，沒(méi)有跡象表明翼型周邊的熔池不穩(wěn)定。這歸因于與三角形和格子樣本相比，掃描路徑更長(zhǎng)。
同樣值得注意的是，尖端后緣被精確打印。這是由于反射鏡需要額外的激光關(guān)閉掃描，以引導(dǎo)激光繞過(guò)尖角。

同心掃描策略的激光開(kāi)啟（紅色）和激光關(guān)閉（藍(lán)色）掃描路徑。
模擬結(jié)果表明，與三角形試樣相比，翼型和格子的缺陷要小得多；只有中心掃描顯示了一些缺陷，這些缺陷是由于過(guò)度的熱量集中在特征的中心。為了提高同心掃描路徑的性能，建議在掃描向內(nèi)移動(dòng)到幾何中心時(shí)降低能量密度。

水平排列的曲折掃描三角形顯示下角的結(jié)果良好，但上角的打印不準(zhǔn)確。模擬結(jié)果顯示三角形的下半部分有規(guī)則打印，上角的凝固時(shí)間增加。三角形上部曲折掃描長(zhǎng)度短，導(dǎo)致更高的能量密度和更長(zhǎng)的凝固時(shí)間。這導(dǎo)致在樣本中觀察到的上角的凸起表面和不準(zhǔn)確的打印。為了減少施加在上（最后）角的能量，曲折策略首先打印三角形橫截面的一側(cè)，然后打印另一側(cè)。在這種情況下，上角是準(zhǔn)確構(gòu)建的，在樣本或模擬中沒(méi)有觀察到任何缺陷。

下圖顯示了翼型和格子結(jié)構(gòu)的曲折掃描策略的結(jié)果。水平曲折導(dǎo)致良好的翼型結(jié)構(gòu)，包括后緣的尖銳尖端。這與長(zhǎng)掃描線和翼型中心區(qū)域能量密度的均勻性有關(guān)。在打印翼型的上半部分和下半部分時(shí)，使用較短的掃描線會(huì)導(dǎo)致凝固時(shí)間略有增加。然而，這不會(huì)導(dǎo)致熔池不穩(wěn)定和整體幾何精度非常好。另一方面，垂直半曲折顯示后緣凝固時(shí)間延長(zhǎng)，曲折減半處的凝固時(shí)間輪廓不連續(xù)。預(yù)計(jì)這將導(dǎo)致該接頭處的材料質(zhì)量下降。半曲折最適合打印格子結(jié)構(gòu)，半曲折的能量密度降低導(dǎo)致支柱的幾何精度提高，整個(gè)幾何形狀的凝固時(shí)間均勻性更高。

結(jié)論

本研究開(kāi)發(fā)了一種半解析熱模型，允許通過(guò)掃描矢量的分辨率來(lái)預(yù)測(cè)工件的熱歷史。結(jié)果根據(jù)CFD 模型進(jìn)行了驗(yàn)證。半解析熱解算器運(yùn)行時(shí)間是有限元和有限體積傳導(dǎo)模型所需時(shí)間的一小部分，允許分析和比較不同的掃描策略。研究了幾種標(biāo)準(zhǔn)掃描策略，以分析和確定最適合不同精細(xì)特征的精確凈形狀打印的選項(xiàng)。通過(guò)操縱激光掃描開(kāi)/關(guān)時(shí)間，發(fā)現(xiàn) Skywriting 在精細(xì)特征的準(zhǔn)確性中起著關(guān)鍵作用。遺憾的是，構(gòu)建文件中沒(méi)有定義一次掃描和下一次掃描之間的時(shí)間延遲。

熱模型用于解析工件的熱歷史。液相線和固相線之間的冷卻行為值得關(guān)注。發(fā)現(xiàn) 60% 和 100% 固體之間的時(shí)間與表面形態(tài)密切相關(guān)，提供了一種簡(jiǎn)單的相關(guān)性來(lái)評(píng)估精細(xì)特征表面質(zhì)量。

發(fā)現(xiàn)具有長(zhǎng)向量的曲折掃描會(huì)導(dǎo)致良好的特征邊緣。隨著矢量長(zhǎng)度的減少和多次掃描彼此靠近，能量輸入顯著增加，導(dǎo)致大熔池和打印尖銳特征（例如三角形角）時(shí)精度降低。沿著精細(xì)特征的周邊進(jìn)行長(zhǎng)掃描可獲得非常好的邊緣精度。當(dāng)使用周邊掃描尖銳特征（例如三角形角和翼形樣本的后緣）時(shí)，Skywriting 被發(fā)現(xiàn)有積極的影響。遺憾的是，skywriting 時(shí)間無(wú)法由操作員設(shè)置，因此不能將其作為尖角的通用解決方案。同心掃描會(huì)導(dǎo)致特征中心能量增加，為了減輕由此產(chǎn)生的缺陷，建議降低功率或提高掃描速度來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整能量密度。

帶有最終輪廓掃描的曲折掃描在翼型和格子結(jié)構(gòu)的凈形狀精度和表面形態(tài)方面提供了可接受的結(jié)果。隨著掃描矢量長(zhǎng)度的減少，工藝參數(shù)的一些優(yōu)化將提高凝固時(shí)間的均勻性。本研究采用的掃描策略都不適合三角形特征。

來(lái)源：增材研究

3D打印輪廓特征的精度決定了表面光潔度、工件疲勞行為以及后處理程度。盡管掃描策略對(duì)于3D產(chǎn)品質(zhì)量方面起著關(guān)鍵作用，但以數(shù)字方式研究掃描策略對(duì)熱歷史影響的研究較少，特別是根據(jù)所需的凈形狀選擇合適的掃描策略。德國(guó)弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所、法國(guó)ESI聯(lián)合研究了鎳基高溫合金Inconel 718的幾種掃描策略，以分析和確定最適合不同精細(xì)特征的3D打印工藝。

大多數(shù)預(yù)處理軟件解決方案都提供多種不同的掃描策略。在下圖中描繪了不同掃描策略的掃描路徑。

條紋掃描（線掃描）是一種簡(jiǎn)單的矢量排列方式。由于矢量長(zhǎng)度有限，這種掃描策略的優(yōu)點(diǎn)是在熔化過(guò)程中熱分布更均勻。（如下圖a）

曲折條紋掃描是條紋掃描的一種特殊形式。它是創(chuàng)建一個(gè)具有180°轉(zhuǎn)向的連續(xù)矢量，最大矢量長(zhǎng)度沒(méi)有限制。（如下圖a）

棋盤(pán)掃描（島形掃描），掃描層被分為若干成正方形區(qū)域。這種掃描策略旨在減少零件中由工藝引起的應(yīng)力。（如下圖b）

同心掃描是輪廓掃描的一種。這種策略對(duì)于非常小的掃描區(qū)域特別有利，例如，格子結(jié)構(gòu)。（如下圖c）

本研究中，使用上面介紹的掃描策略構(gòu)建具有不同幾何形狀和結(jié)構(gòu)的樣品。形狀包括橢圓形、三角形、翼型和格子。這些部件的幾何尺寸列于表 1中。

使用 D 50  = 30 μm 的Inconel 718 合金粉末，掃描參數(shù)如表 2。

CLI 構(gòu)建文件被發(fā)送到 LPBF 機(jī)器，描述每個(gè)層的掃描路徑。在構(gòu)建期間，在線監(jiān)控器捕獲控制器信號(hào)，以便除了在過(guò)程中捕獲的熱輻射之外，激光位置和狀態(tài)始終是已知的。

CLI文件也被提交給熱解算器以預(yù)測(cè)處理材料的質(zhì)量。下圖顯示了經(jīng)過(guò)處理以打印 2 mm寬橢圓的層的熔化區(qū)域。在模擬的一個(gè)階段完全熔化（溫度至少達(dá)到液相線）的計(jì)算單元的“熔化”值為 1。沒(méi)有經(jīng)過(guò)激光處理和/或根本沒(méi)有熔化的單元的值為 0 。首先使用曲折條紋掃描路徑處理，然后使用輪廓掃描最終確定橢圓周長(zhǎng)。由于曲折掃描和輪廓掃描之間的重疊很小，觀察到輪廓孔。

對(duì)于 2 個(gè)不同大小的橢圓，實(shí)驗(yàn)獲得的頂面形態(tài)如下圖（頂行）所示。較小的橢圓是使用單個(gè)輪廓掃描構(gòu)建的，第二個(gè)橢圓是使用大塊區(qū)域中的曲折掃描和輪廓掃描構(gòu)建的。大塊顯示曲折結(jié)構(gòu)，輪廓掃描的第一個(gè)和結(jié)束點(diǎn)由兩個(gè)橢圓左上區(qū)域的不規(guī)則性清楚地識(shí)別。

下圖的第2 行和第 3 行顯示了最后 40% 的糊狀區(qū)域凝固所需的數(shù)值預(yù)測(cè)時(shí)間。總凝固時(shí)間（隨著溫度從液相線下降計(jì)算到固相線）可以推斷為大約 1e6 K/s?；?CLI 的結(jié)果主要受到輪廓掃描期間施加的熱能的影響，“沖刷”掉了曲折掃描產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致與實(shí)驗(yàn)觀察到的結(jié)構(gòu)截然不同。

基于 CLI 和基于 HDF5 的數(shù)值預(yù)測(cè)之間的這種差異首先歸因于模型簡(jiǎn)化、累積誤差，并且可能是由于凝固時(shí)間不適合按照建議評(píng)估表面形態(tài)。基于 CFD 的高保真模型證實(shí)了基于 CLI 的結(jié)果觀察到的差異。使用從機(jī)器控制器捕獲的信號(hào)重復(fù)模擬，將 CLI 文件定義的預(yù)期掃描路徑替換為打印機(jī)實(shí)際執(zhí)行的操作。捕獲的數(shù)據(jù)通過(guò) HDF5 文件傳輸?shù)侥Ｐ汀Ｍㄟ^(guò)比較上圖的頂行和底行可以看出，數(shù)值預(yù)測(cè)的表面結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果非常吻合。

CLI 和 HDF5 掃描文件的區(qū)別如下圖所示，其中一系列圖像描繪了激光運(yùn)動(dòng)，因?yàn)樗蛴×藥讉€(gè)不同大小的橢圓。深藍(lán)色（激光值=−30）表示尚未處理的區(qū)域。激光值為 0（淺藍(lán)色）表示激光在關(guān)閉時(shí)運(yùn)動(dòng)。激光值為 100 的紅線表示打開(kāi)時(shí)的激光路徑。CLI 文件僅定義紅線。

可以看出，小橢圓（尺寸 < 1.5 mm）的輪廓掃描不是在一次連續(xù)運(yùn)動(dòng)中處理的。取而代之的是，輪廓掃描停止，激光在關(guān)閉時(shí)四處移動(dòng)，然后在定位時(shí)最終打開(kāi)，以便它可以繼續(xù)完成橢圓所需的急劇旋轉(zhuǎn)。此行為歸因于 skywriting 算法，該算法用于確保沿整個(gè)掃描矢量的掃描速度恒定。因此，控制器調(diào)整 CLI 掃描矢量，將其細(xì)分為允許激光在掃描矢量范圍之外加速和減速的部分。如果兩個(gè)連續(xù)掃描矢量之間的角度小于 30°，則會(huì)激活 Skywriting。這主要發(fā)生在小橢圓上，在大橢圓的情況下，多邊形線彼此之間更傾斜。然而，skywriting 的激活意味著沉積的熔液在橢圓形狀完成之前冷卻下來(lái)，這解釋了 CLI 和 HDF5 掃描之間的差異以及相應(yīng)的數(shù)值結(jié)果。無(wú)需使用 skywriting 即可處理較大橢圓的輪廓，因此其行為與 CLI 掃描定義非常相似。

基于 CLI 文件的結(jié)果可以看作是理想化的結(jié)果，僅考慮打印所需橫截面的激光軌跡。另一方面，HDF5 文件通過(guò)影響激光開(kāi)/關(guān)時(shí)間的控制器行為補(bǔ)充了 CLI 文件信息。

因此，控制器執(zhí)行額外的跟蹤以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的鏡像運(yùn)動(dòng)序列。在這些額外的軌道中，激光被關(guān)閉，因此處理由 CLI 定義的相同區(qū)域，但增加了掃描軌道之間的時(shí)間延遲，導(dǎo)致觀察到的差異。HDF5 文件相應(yīng)地用于所有精細(xì)特征研究。

下圖顯示了試樣排列成 5 個(gè)塊，分布在一個(gè)圓柱形底板上。每組包括一個(gè)翼形體（頂行）、等邊三角形（中行）和格子結(jié)構(gòu)（底行）。每種幾何圖形中有 4 個(gè)被打印出來(lái)，每個(gè)幾何圖形都使用不同的策略進(jìn)行掃描。重復(fù)的幾何形狀可以對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。還提供了打印樣本的放大視圖。

4 種不同掃描策略打印的三角形掃描路徑如下圖。

暖色表示高溫計(jì)測(cè)得的過(guò)程發(fā)射信號(hào)，藍(lán)色表示沒(méi)有激活激光束的純掃描運(yùn)動(dòng)。
3D打印三角形樣品模擬如下圖

3D打印三角形樣品實(shí)物如下圖

研究使用島掃描構(gòu)建的三角形，可以推斷島重疊不是最佳設(shè)置的。島之間界面處加工材料的系統(tǒng)性不連續(xù)性可被視為樣本圖像中的較暗線。這一缺陷在模擬結(jié)果中非常明顯。所有的幾何結(jié)構(gòu)，包括使用島掃描構(gòu)建翼和網(wǎng)格，都有同樣的錯(cuò)誤。

沿著三角形周邊向內(nèi)移動(dòng)的連續(xù)同心掃描需要多個(gè)skywriting，使激光能夠沿著三角形周邊移動(dòng)。這會(huì)導(dǎo)致過(guò)多的熱量輸入和熔池溢出。三角形輪廓不直，主體區(qū)域表示不規(guī)則的熔池表面。模擬結(jié)果表明，三角形中心區(qū)域的凝固時(shí)間顯著增加（>0.5ms）。外周內(nèi)側(cè)也表明輪廓和粉末之間存在一致的斷開(kāi)，這與相應(yīng)試樣中所見(jiàn)的不同輪廓線相似。對(duì)格子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了類(lèi)似的觀察，其中相互靠近的圓柱形支柱傾向于連接，因?yàn)槿鄢卮笮∨c支柱直徑相當(dāng)。

然而，值得注意的是，翼型輪廓要好得多，沒(méi)有跡象表明翼型周邊的熔池不穩(wěn)定。這歸因于與三角形和格子樣本相比，掃描路徑更長(zhǎng)。
同樣值得注意的是，尖端后緣被精確打印。這是由于反射鏡需要額外的激光關(guān)閉掃描，以引導(dǎo)激光繞過(guò)尖角。

同心掃描策略的激光開(kāi)啟（紅色）和激光關(guān)閉（藍(lán)色）掃描路徑。
模擬結(jié)果表明，與三角形試樣相比，翼型和格子的缺陷要小得多；只有中心掃描顯示了一些缺陷，這些缺陷是由于過(guò)度的熱量集中在特征的中心。為了提高同心掃描路徑的性能，建議在掃描向內(nèi)移動(dòng)到幾何中心時(shí)降低能量密度。

水平排列的曲折掃描三角形顯示下角的結(jié)果良好，但上角的打印不準(zhǔn)確。模擬結(jié)果顯示三角形的下半部分有規(guī)則打印，上角的凝固時(shí)間增加。三角形上部曲折掃描長(zhǎng)度短，導(dǎo)致更高的能量密度和更長(zhǎng)的凝固時(shí)間。這導(dǎo)致在樣本中觀察到的上角的凸起表面和不準(zhǔn)確的打印。為了減少施加在上（最后）角的能量，曲折策略首先打印三角形橫截面的一側(cè)，然后打印另一側(cè)。在這種情況下，上角是準(zhǔn)確構(gòu)建的，在樣本或模擬中沒(méi)有觀察到任何缺陷。

下圖顯示了翼型和格子結(jié)構(gòu)的曲折掃描策略的結(jié)果。水平曲折導(dǎo)致良好的翼型結(jié)構(gòu)，包括后緣的尖銳尖端。這與長(zhǎng)掃描線和翼型中心區(qū)域能量密度的均勻性有關(guān)。在打印翼型的上半部分和下半部分時(shí)，使用較短的掃描線會(huì)導(dǎo)致凝固時(shí)間略有增加。然而，這不會(huì)導(dǎo)致熔池不穩(wěn)定和整體幾何精度非常好。另一方面，垂直半曲折顯示后緣凝固時(shí)間延長(zhǎng)，曲折減半處的凝固時(shí)間輪廓不連續(xù)。預(yù)計(jì)這將導(dǎo)致該接頭處的材料質(zhì)量下降。半曲折最適合打印格子結(jié)構(gòu)，半曲折的能量密度降低導(dǎo)致支柱的幾何精度提高，整個(gè)幾何形狀的凝固時(shí)間均勻性更高。

結(jié)論

本研究開(kāi)發(fā)了一種半解析熱模型，允許通過(guò)掃描矢量的分辨率來(lái)預(yù)測(cè)工件的熱歷史。結(jié)果根據(jù)CFD 模型進(jìn)行了驗(yàn)證。半解析熱解算器運(yùn)行時(shí)間是有限元和有限體積傳導(dǎo)模型所需時(shí)間的一小部分，允許分析和比較不同的掃描策略。研究了幾種標(biāo)準(zhǔn)掃描策略，以分析和確定最適合不同精細(xì)特征的精確凈形狀打印的選項(xiàng)。通過(guò)操縱激光掃描開(kāi)/關(guān)時(shí)間，發(fā)現(xiàn) Skywriting 在精細(xì)特征的準(zhǔn)確性中起著關(guān)鍵作用。遺憾的是，構(gòu)建文件中沒(méi)有定義一次掃描和下一次掃描之間的時(shí)間延遲。

熱模型用于解析工件的熱歷史。液相線和固相線之間的冷卻行為值得關(guān)注。發(fā)現(xiàn) 60% 和 100% 固體之間的時(shí)間與表面形態(tài)密切相關(guān)，提供了一種簡(jiǎn)單的相關(guān)性來(lái)評(píng)估精細(xì)特征表面質(zhì)量。

發(fā)現(xiàn)具有長(zhǎng)向量的曲折掃描會(huì)導(dǎo)致良好的特征邊緣。隨著矢量長(zhǎng)度的減少和多次掃描彼此靠近，能量輸入顯著增加，導(dǎo)致大熔池和打印尖銳特征（例如三角形角）時(shí)精度降低。沿著精細(xì)特征的周邊進(jìn)行長(zhǎng)掃描可獲得非常好的邊緣精度。當(dāng)使用周邊掃描尖銳特征（例如三角形角和翼形樣本的后緣）時(shí)，Skywriting 被發(fā)現(xiàn)有積極的影響。遺憾的是，skywriting 時(shí)間無(wú)法由操作員設(shè)置，因此不能將其作為尖角的通用解決方案。同心掃描會(huì)導(dǎo)致特征中心能量增加，為了減輕由此產(chǎn)生的缺陷，建議降低功率或提高掃描速度來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整能量密度。

帶有最終輪廓掃描的曲折掃描在翼型和格子結(jié)構(gòu)的凈形狀精度和表面形態(tài)方面提供了可接受的結(jié)果。隨著掃描矢量長(zhǎng)度的減少，工藝參數(shù)的一些優(yōu)化將提高凝固時(shí)間的均勻性。本研究采用的掃描策略都不適合三角形特征。

來(lái)源：增材研究