同轴送粉激光3D打印的工艺参数包括两种类别,即同轴送粉气体参数和激光参数。工艺参数的选择将对激光3D打印的成形质量和成形效率产生重要的影响。由于激光3D打印涉及的工艺参数众多,有必要通过科学的工艺优化方法对工艺参数进行优化。
实验所使用的气体有内层载粉气体和外层辅助气体两种。内层载粉气体的作用是通过一定的气流来承载粉末和远距离输送粉末,载粉气体在喷嘴中的位置是在中间通道,紧邻激光通道。外层辅助气体的作用是辅助载粉气体汇聚粉末,使粉末流更好的汇聚成形,提升试样成形的效率和质量。
在同轴送粉激光3D打印中,气体的作用不仅限于保护金属熔池或者抑制激光等离子体的产生,因此不能仅从考虑压制等离子体的角度一味的使用较大的气体流量,也不能仅从经济因素考虑而尽可能的使用较小的气体流量。气体参数的设置应当从为了获得更好的粉末流形态和更好的试样成形质量的角度出发。
选择了两种粉末流汇聚形态的评价标准。一种是以粉末流汇聚处的最小直径为评价标准,这种评判方法较多的用于粉末流形态数值模拟和计算等理论性实验。由于粉末流汇聚形态影响激光3D打印制造过程中粉末的利用率以及沉积层成形高度,因此,另一种是以沉积层成形高度为粉末流汇聚形态优劣的评价标准。
在实验研究过程中,基于上述两种粉末流汇聚形态评价标准,提出两种气体参数优化方法,分别是基于粉末流汇聚图像特征的优化方法和基于沉积层成形特征的优化方法。
粉末流汇聚图像特征法是以2因素8水平均匀实验设计表制定实验方案,通过高速摄像机拍摄粉末流图像,综合使用Photoshop软件和Matlab软件对粉末流图像进行后续处理,以粉末流汇聚处最小直径为评判标准,汇聚直径越小,则内外层气体参数越优。
沉积层成形特征法基于实际的同轴粉末激光3D打印实体试样成形,以测得的沉积层成形高度为评判标准,以试样表面形貌质量为辅助评价标准,寻找最佳的内外层气体参数。为了保证两种测试方式具有可比性,沉积层成形特征法的实验方案与粉末流汇聚图像特征法的实验方案保持一致。
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