GE增材：金属3D打印中气流（风场）设计的重要性
对于粉末床激光熔融金属3D打印技术，用户对于零件的机械性能、设备使用率、相关工艺，甚至设备的整体设计，都期望能够达到最高的品质。然而对于打印过程中的烟尘、飞溅却可能重视不足，GE旗下增材制造部门认为，这些“副产品”是影响零件质量的关键因素。
在SLM Solutions刚刚发布的12激光金属3D打印机视频中，我们看到多激光在同时打印过程中产生了大量烟尘，如果没有好的风场和气流设计，便难以保证加工过程的顺利进行。在过去几年里，对熔融过程和气流重要性的理解一直在进步。如今，设备商通常可以对成型仓中的气流进行专门的设计优化，来确保成型过程的稳定。本文重点介绍熔融过程中的物理机制，以及GE Additive如何对Concept Laser M2进行气流优化来改善成型过程。
为什么加工基板上方的气流对激光增材制造过程如此重要？
在3D打印过程中，金属粉末吸收激光能量所产生的熔池温度会超过粉末材料的沸腾温度，这会在熔池表面形成强烈的对流和蒸汽反冲力，气化的金属和夹带的粉末会从熔池和周围粉末中喷射而出。金属蒸气会逐渐冷凝成黑色烟尘，夹带的粉末在喷射后会部分聚集在粉床表面。
如果没有优化的气流设计，烟尘颗粒甚至可能到达成型仓顶部的激光窗口。当这种情况发生时，烟尘-激光相互作用可能导致激光束的折射和吸收，并因此导致到达粉床表面的激光功率降低以及光束形状失真。
此外，落在粉床上的夹带粉末和飞溅颗粒可能会导致下一层熔融不充分，从而形成孔洞。上图描述了激光-粉末相互作用的多种机制，以及气流如何有助于改善这种情况。在气流的作用下，烟尘和飞溅物等可以被带离成型仓，从而确保上述杂质不会影响打印过程，进而可以保证较高的成型效率和质量。但如果颗粒太大，气流也无法将其有效带离。
为此，GE增材已经开发了多种有效解决方案来减少这类颗粒。研究发现，通过在风速和风场分布方面改善气流，可以显著改善零件密度和表面粗糙度（见后文）。
熔融过程中烟尘和飞溅形成的基本原理
通过对金属粉末与激光相互作用的物理过程的分析，可以帮助优化气流系统，改善增材制造工艺。
根据粉末材料特性、激光功率、光束形状和扫描速度，熔池会呈现某种特征形状。当光束在粉末床上方移动时，熔池尾部的对流、反冲压力形成的凹陷等都会影响激光功率吸收以及熔融金属中涡流的形成。
在凹陷表面，局部温度会超过金属的沸腾温度，导致材料蒸发。凹陷越深，尤其当锁孔出现时，局部表面温度就越高，甚至可以达到几千度，这也与非常高的局部压力有关。蒸发的材料被推离熔池表面，形成高速射流，该高速射流与从熔池带走的三种不同类型的喷出物相关联。
打印过程中零件边沿的飞溅
1. 高成型速率下，假设熔池温度很高，形成金属蒸气射流，其以接近局部音速的速度喷出。由于这种射流的动量很高，气流无法将喷出物带离熔池正上方。蒸气射流上升十几毫米后动量在那里减少，并充分冷却形成黑色的纳米颗粒（或所谓的烟尘）。此时的烟尘可以很容易被气流带走。
2. 喷射出的小熔融液滴在冷凝落回粉床前可以被气流尽可能带向基板边缘，但大于100微米的冷凝颗粒与气流相比会显得太大、太重，最终会落到离起点只有几厘米远的粉床上，无法以有效的方式被带走。
3. 最后是被热蒸气射流夹带的未熔化粉末颗粒。这些粉末颗粒可能与其他颗粒聚集在一起，这取决于射流中的温度以及与激光束的接近程度。如果这些颗粒变得与上述熔滴一样大，也很难被气流带走。
因此，良好的气流设计应当保证：
• 可以有效地去除烟尘，防止烟尘在成型室中扩散、到达激光窗口或对激光构成持续威胁。
• 与扫描策略相配合，尽量避免副产品的产生，并防止与激光束的接触。
对传统风场进行升级改造
Concept Laser M2此前的风场设计如下图所示，首先气流会冲刷激光窗口，然后在粉床上方形成回流将飞溅和烟尘带离成型仓。由于以前对熔池物理特性和参数开发的理解不如现在先进，这种系统当时也被认为可行，并可以稳定打印。
但随着对相关物理学有了更多理解以及一些参数的进一步发展，研究人员发现在成型仓中心的回流区域产生了潜在的烟尘区，积聚的烟尘会与激光束相互作用。特别是在加工基板的中心（回流区域就位于其正上方），在高能量密度的情况下，烟尘就可能在打印区上方聚集。
由气流偏转引起的复杂流线曲率使得很难在整个加工基板上获得均匀的气体流速分布，烟尘有可能会出现局部堆积，从而对铺粉造成影响。不过尽管如此，该设备当时还是提供了稳定的结果，但是为了进一步降低表面粗糙度和提高可重复性，GE Additive与通用电气全球研发中心 (GE Global Research) 的流体分析和优化专家合作，实现了新的设计：
• 第一步，成型仓中的气流方向从右向左均匀设置，消除导致回流的反向流动。
• 第二步，对于已知的烟尘流向，评估所需气流的速度，成型仓因此被分成两部分。
a)从 Generation 3到Series 5（从左到右）基板表面气流速度的进步。可见气流分布质量显著改善；b) 成型仓中气流测量的实验结果，切片显示成型仓中以及加工基板上方的均匀速度分布
通过几个周期的数值模拟、机械设计与实验评估，发现在成型仓的上部（更加远离加工基板）需要低气流速度（大约1米/秒），但气流需要均匀分布，因为烟流速度也相当低；相反，设计的重点被放在保持激光窗口清洁并防止成型仓中出现回流区，需要不惜一切代价避免上部气流中的较低速度导致回流区。成型仓的下部采用高速气流，主要解决加工基板上方的烟尘，以尽可能有效地将其带离激光路径，实现永久的烟尘去除，并保持平均烟尘浓度尽可能低。由于烟尘的动量很大，下方气流如果太稀薄几乎不会影响烟尘。而成型仓上部的气流，这里远离加工基板，气流设计不必用于移动高动量颗粒，只需将烟尘吹走即可。
升级改造后的风场气流环境中的烟尘颗粒流向和速度分布。顶：侧视图，下：顶视图。
采用新风场设计的打印机所制造的零件具有更低的表面粗糙度
与此前的版本相比，最新的机器具有高得多的流速，这是有效排出熔融过程中的烟尘和飞溅物所必需的。实验结果显示了成型仓中上下部气流的均匀流速，均匀流场使扫描策略可以保持一致，从而将整个构建板上方的烟尘风险降至最低，使零件之间的差异减小，排除零件性能的位置差异性。
对风场的模拟结果也显示，由高能量激光引起的烟尘被有效地带到下游，而没有出现在基板上方。这种情况表明，新的风场设计可以保证烟尘不会上升到底部气流以上，其在到达成型仓上部区域之前就被偏转并带到出口。
气流和风场的设计需要优化，我们也曾看到一些设备风速设计很大，但把粉末吹走了很多。
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