几项研究表明，脉冲曝光策略在提高激光粉末床金属熔合的空间精度、表面质量和低角度悬垂的可制造性方面具有潜力。在本文中，这些基本电位被转移到Ti6Al4V部分水平悬垂的换热器结构的无支撑制造中。脉冲曝光的脉冲重复率为20 kHz，脉冲持续时间为25μs，使得这些密度超过99%的复杂结构的无支撑制造成为可能。阿基米德密度测定法与显微光学密度测定法的比较表明，由于开放孔隙，试样的渗透率低于应用体积能量密度30 J/mm3。此外，与连续暴露策略制造的样品相比，脉冲制造的结构在热交换器内表现出更好的流动行为。
在基于激光的粉末床金属熔合(PBF-LB/M)中，金属部件是通过激光选择性熔化和熔合单个粉末层来制造的。逐层制造过程创造了超越传统加工工艺范围的几何自由度。因此，PBF-LB/M作为一种工业制造工艺正在稳步建立。
目前最先进的方法是利用激光的连续波(cw)发射对粉末床进行矢量曝光。这种策略导致了小空间尺度上的高能输入，这可能意味着过热或热量积累，特别是对于具有平坦悬垂角的结构[1,2]。因此，悬挑区域经常发生热变形[3]。因此，使用PBF-LB/M制造悬垂结构具有挑战性。为了防止变形和热量积累，在PBF-LB/M过程中通常使用外部支撑结构。这加强了悬垂结构，并允许热量从工艺区消散。设计和制造支撑结构是一个独特的研究领域，包括研究如何快速散热[3,4]以及如何轻松拆除支撑[4,5]。在使用电子束的金属粉末床熔合中，甚至证明了无接触的支撑结构[6]。然而，在许多情况下，不可能去除复杂部件的支撑结构。
为了减少所需的后处理量并使复杂部件的制造成为可能，本文的目标是实现无支撑结构的PBF-LB/M工艺。为了克服无支撑PBF-LB/M的挑战，一种方法是定制能量输入，以调整加工过程中的热收支。这种裁剪可以使用脉冲曝光策略来实现。
激光的脉冲发射是指能量只在激光脉冲τ脉冲的持续时间内发射。如果脉冲的峰值功率等于连续波功率，则发射的平均功率减小为占空比δ。占空比描述脉冲持续时间在脉冲发射持续时间内的时间份额，定义为
（1）
用脉冲重复率。
讨论了脉冲PBF-LB/M加工各种金属合金的优点
提高部件表面质量[7,8,9,10];
调整微观结构[11,12,13,14]，
提高空间精度[10、14、15、16、17、18、19、20]，以及
制造无支撑悬挑结构[9,10]。
在Hz量级内的低重复率脉冲曝光，增加重叠，降低扫描速度导致较低的顶部和侧面表面粗糙度[7,8]。应用高重复频率20khz的脉冲曝光有可能降低下皮肤表面粗糙度[9]。此外，由于频繁使用脉冲重叠和单个熔池的离散凝固，表面粗糙度具有较少的方向依赖纹理[10]。
Karami等人[14]证明脉冲暴露Ti6Al4V晶格结构可以产生均匀性增强的微观结构。这导致了各向同性成分的特性和屈服应力的增加[14]。此外，铝基和镍基合金的微观结构可以使用脉冲曝光来定制，如[11]中AlSi12和AlSi10Mg，[13]中AlSi10Mg，[12]中IN738LC所示。
Caprio等人[15,16]，Demir等人[17,18,19]，Karami等人[14]，Laag等人[10]和Laitinen等人[20]成功地证明了由于熔池较小，使用脉冲PBF-LB/M可以提高零件的几何精度。较小的熔池是由脉冲加工中较低的熔化效率造成的[16]。因此，使用脉冲PBF-LB/M会降低沉积体积[15]和构建速率[16]。Laag等人[10]发现，较小的熔池导致较少的粉末颗粒夹带，这也使熔池体积保持较小。Laitinen等人[20]报告说，在较短的脉冲持续时间内产生连续的熔体轨迹需要较大的脉冲重叠。因此，当采用较长的脉冲持续时间或较大的占空比制造时，以恒定通量制造的元件往往具有较高的密度[18]。除了时间能量输入外，分量密度还取决于几何形状。当使用恒定参数时，热积累可以发生在狭窄的组分区域，而欠熔发生在固体组分区域[19]。因此，应根据特征尺寸调整工艺参数。脉冲暴露有积极的影响，特别是在精细几何[14,18]。为了在保持高生产率的同时利用丝状结构的潜力，建议脉冲和连续波暴露的组合[10,19]。因此，用脉冲曝光处理丝状区域以及悬垂，并用连续波曝光处理固体区域。这种组合导致两个地区在加工过程中熔池大小相似[10,19]。基于这些发现，米兰理工大学(Politecnico di Milano)开发了一种逐层控制工艺参数的方法[21,22]。控制系统使用同轴摄像机检测熔池的大小，并在下一层中调整关键区域的占空比[21,22]。这增加了工艺稳定性，熔池尺寸恒定，从第二层开始缺陷较少[21,22]。
对于无支撑PBF-LB/M，初步研究[9]证明了无支撑结构的平角悬垂结构的可制造性。在这些实验中，使用脉冲PBF-LB/M将悬垂角从25°减小到15°。Demir等人[17]证明了脉冲PBF-LB/M在无支撑制造支架上的细丝结构(如晶格结构)方面的潜力。但为避免支撑结构，采用悬垂角为45°的自支撑桥设计[17]。
复杂结构(如内部冷却通道和热交换器结构)的实现需要无支撑的扁平悬垂制造，以及提高表面质量和空间精度。因此，本研究将提出的脉冲暴露策略的基本潜力转移到具有部分水平悬垂结构的特定专利换热器结构的制造上。研究目的是研究脉冲PBF-LB/M工艺对换热器结构组成特性(密度、壁厚和流动压降)的影响。其目的是在高密度和低压降下实现恒定的壁厚。
在工业样品上进行了参数研究，以证明脉冲暴露策略在无支架PBF-LB/M上的潜力。实验装置和所研究的材料、试样、参数集和部件性能如下所示。
测试样品使用改进的PBF-LB/M系统EOS M280 (EOS GmbH, Krailling, Germany)制造。该系统被设计为只使用连续波曝光。它配备了400w光纤激光器(IPG laser GmbH, Burbach, Germany)，光斑尺寸约为100μm[23]。现代光纤激光器能够实现快速功率调制，从而实现脉冲能量输出[24]。持续时间在微秒范围内的脉冲和重复频率高达多个kHz是可能的[24]。为了实现与实验系统的脉冲，门信号被周期性地中断。为此集成了光耦合器电路。脉冲频率由电去耦函数发生器设定。由于光耦合器的响应时间，设置被限制在25 kHz的最大重复率。
通过焊接试验验证了激光束源对脉冲门信号的响应。为此，在4000 mm/s、5000 mm/s、6000 mm/s和7000 mm/s的高扫描速度下，以及0.4、0.5和0.6的不同占空比δ下，在薄片上形成脉冲单焊缝轨迹。高扫描速度防止了激光脉冲的重叠。为了测量制造的焊缝轨迹，使用3D轮廓仪(Keyence VR-3100， ōsaka，日本)。根据测量数据，通过比较两个激光脉冲焊缝之间的间隙长度和激光脉冲暂停期间的理论距离来确定现有的占空比。假设单个脉冲轨迹的形状为宽为wpulse的长方形孔(见图1(a))。测量的占空比δ由
图1
a焊接试验示意图和b焊缝轨迹俯视图
（2）
为了保证最坏情况下脉冲上升时间的表现，在实验中使用了370 W的峰值功率。图2显示了测量的占空比，它与设置的占空比非常匹配。在低扫描速度下，占空比的增加被认为是由于曝光过程中的热量积累。因此，脉冲轨迹在中心变得更宽，因此，长方孔形状的假设不再有效(见图1(b))。
图2
测量的占空比δ与设定的占空比δ相比，在恒定的激光功率和脉冲重复率下，在四种不同的扫描速度下测定
在本研究中，使用了Ti6Al4V衬底和粉末。Ti6Al4V的密度为4.43 g/cm3，具有良好的强度、延展性和断裂韧性，以及耐腐蚀性和耐温性。该粉末由tlstechnik GmbH & Co. Spezialpulver KG(德国比特菲尔德)提供。采用激光衍射法根据ISO 13320测定粒度分布。特征粒径分别为D10,3=34.5μm, D50,3=45.7μm, D90,3=58.1μm。表1显示了粉末的化学成分。
表1化学成分
热交换器是PBF-LB/M的一个很好的用例。利用PBF-LB/M的几何自由度和高制造精度，可以专门制造优化传热和流体流动的结构。在本出版物中，使用一种正在申请专利的空气对空气热交换器(justairtech GmbH, Munich, Germany)的特定结构作为样本。该结构的基本细胞如图3(a)所示。它由四个二次切割的螺旋组成，其中每个螺旋都与相邻的螺旋对称。热交换是基于直接相邻通道之间的传热。因此，结构的热传导只是次要的。更重要的是通道壁上的高传热和结构内部的低压降。通过设置螺旋切口的大小，可以调整每个通道的大小。通道的曲率由螺旋的螺距决定。这种设计允许调整结构的方向。这种结构可以绕着拐角或曲线转动。其结果是，初级细胞可能出现在不同的方向在一个单一的组件。由于结构的几何自由度和复杂性，悬垂可以出现在任何角度，支撑结构不能移除。
图3
(a)空气-空气热交换器的基本单元和(b)试件长方体和热交换器结构的CAD模型
作为测试样本，热交换器结构由6 × 6基本单元创建，切割尺寸为3mm，间距为10mm。样品包括两个完整旋转的通道，并在侧面，底部和顶部被300 μ m的壁密封，导致外部尺寸为18.6 × 18.6 × 20 mm3。结构的壁厚bw设置为250μm。为了在结构制造过程中进行最坏情况分析，结构的螺旋轴方向平行于建筑平台。这就产生了部分水平悬垂。螺旋轴在建筑方向上的方向导致了墙的仰角依赖常数(更容易制造)的角度。
此外，固体长方体(10 × 10 × 10 mm3)用于密度测定。所有部件都包含一个巨大的5mm支架，稍后从构建平台上切断，见图3(b)。试样按照VDI 3405第2部分中建议的与涂层和气流方向成45°的方位角排列。
在实验的全因子设计中，激光功率、扫描速度和舱口距离h是变化的。这些工艺参数可与恒定粉末层厚度、脉冲重复率、脉冲持续时间τ脉冲相结合，形成体积能量密度
（3）
根据初步实验[9]，选择激光功率水平、扫描速度和舱口距离h，如表2所示。恒定的工艺参数设置为tpowder=40μm，=20 kHz， τpulse=25μs。脉冲持续时间和重复频率也采用了初步调查[9]。为了在构建方向上获得更高的分辨率，本研究中稍微减少了层厚度。对于每个参数集，制造两个换热器结构和四个长方体。综上所述，总共研究了27个参数集、52个换热器结构和104个长方体。每个样品的所有区域(轮廓，上表皮，下表皮)都使用相同的参数集制作。此外，样品是制造无梁偏移。这样就可以对标称轮廓的偏差进行定量研究。
表2不同工艺参数的三个层次
对试样的尺寸精度、密度和气流压降进行了研究。为了确定尺寸精度，热交换器结构采用导线腐蚀分离。腐蚀导线的切割厚度产生了两个分析平面(见图4)。使用3D轮廓仪(Keyence VR-3100， ōsaka，日本)在这些平面(当前悬垂角为45°和30°)中测量壁厚bw。
图4
换热器结构切割平面示意图及壁厚bw测量平面示意图
长方体的密度根据DIN EN ISO 3369使用阿基米德方法测定。为了确定相对密度ρrel，假设Ti6Al4V的固体密度为4.43 g/cm3。此外，长方体的密度是根据显微照片光学确定的。为此，将样品埋入透明环氧树脂中，使用碳化硅纸分五阶段研磨(砂度为180、320、800、1200和2500)，并使用布和金刚石膏(3μm和1μm)分两阶段抛光。在抛光步骤之前，对样品进行超声波清洗以去除松散和粘附的粉末颗粒。使用反射光显微镜(Nikon MM-40，东京，日本)，以2.5倍倍率在每个长方体的四个位置拍摄显微图像。图像尺寸(1200 × 1600像素)的比例因子为1.957 μ m/像素，每张图像的面积约为7.35 mm2。这意味着所研究的横截面积约为每长方体30平方毫米。最后，对图像进行二值化和评估。
为了表征热交换器结构内的空气流动特性，压降被确定为流速的函数。为此，换热器结构单独安装在一个适配器中，该适配器将换热器通道连接到真空管(见图5)。在适配器中，两个BME280压力传感器(Bosch Sensortec GmbH, Reutlingen, Germany)安装在换热器旁边。对于一次测量，使用文丘里管测量的五个流速被应用。每个换热器结构测量2次。在第二次测量中，将结构倒置，使流体以相反的方向流过结构。测量的压降pdrop映射到通过热交换器的计算流速(见图6)。平均值用于计算强制通过原点的二阶多项式趋势线函数(图6中的虚线)。所得函数是压降的特征，取决于所使用的工艺参数。
图5
测定压降随流速的函数的测量装置图
图6
用所列工艺参数制造的热交换器结构内的压降测量的示例性评价
摘要。
1 介绍和技术状况
2 方法和方法
3 结果与讨论
4 结论
数据可用性
参考文献。
作者信息
道德声明
# # # # #
结果是按照脉冲暴露对试样密度、尺寸精度和在热交换器结构内产生的流动特性的影响顺序呈现的。
根据公式3，图7显示了立方体试样的密度与体积能量密度Ev的关系。利用光学法和阿基米德法确定了渗透结构的临界密度值。光密度测定的测量值几乎呈线性增加，直到体积能量密度达到35 J/mm3。在35 J/mm3以上，密度值渐近接近100%，最大密度(超过99%)达到58 J/mm3左右。用阿基米德法测定的密度值呈s形趋势。在约30 J/mm3之前，密度值几乎以线性方式增加。在30 ~ 40 J/mm3之间，增加幅度更大。从大约40 J/mm3开始，密度值稳定在97.5%以上。在30 ~ 35 J/mm3的过渡范围内，光学法和阿基米德法的结果几乎相等。当能量密度小于30 J/mm3时，两种测量方法的测量密度差异显著。
图7
用光学和阿基米德方法确定长方体的相对密度ρ为体积能量密度Ev的函数
低能量密度方法之间的差异可以解释为在测定阿基米德密度时液体对样品的渗透。根据DIN EN ISO 3369的阿基米德方法仅对不渗透材料有效。如果测量液体渗入试样，则孔隙不包括在试样体积中。因此，得到的密度值似乎更高。渗透的原因是在低体积能量密度Ev的相应试样中存在开放孔隙。在图8(a)的显微照片中可以看到这种开放孔隙度。当体积能量密度在30 ~ 35 J/mm3之间时，形成封闭孔隙，而不是开放孔隙(见图8(b))。因此，密度分析方法提供了在此范围内或以上的可比值。随着体积能量密度的进一步增加，这些空隙的体积减小(见图8(c))，导致相对密度增加。
图8
三种选定长方体的显微照片，其体积能量密度分别为(a) 18 J/mm3， (b) 32.8 J/mm3， (c) 58.3 J/mm3
光学密度测定法和阿基米德密度测定法的结合，有利于后期流动特性和压降的分析。两种测量方法的密度值相差的阈值表示有流体的试样浸润阈值。热交换器结构应该只传递通道中流体的热量。必须避免通道之间的流体交换。在体积能量密度发散阈值以下(本研究中约为30 J/mm3)，流体很可能穿过壁面并发生传质。
图9包含热交换器样品的导线侵蚀切面照片，工艺参数来自图8。图像显示热交换器结构的密度与长方体的密度相似。图9(a)显示了由于切割表面的不规则反射导致的高孔隙率。随着体积能量密度的增加，反射变得更加均匀(见图9(b))，直到它们在最高能量密度时最均匀(见图9(c))，这表明相对密度的性质相似。
图9
选取体积能量密度分别为(a) 18 J/mm3、(b) 32.8 J/mm3、(c) 58.3 J/mm3的三种试样的切面照片
热交换器切割表面的照片(见图9)显示，壁厚对所使用的工艺参数没有明显的依赖性。在当前悬垂角为30°和45°时测得的壁厚bw如图10所示。所选参数集的测量值几乎是恒定的，并且在330μm的水平附近变化。预计不同程度的不同工艺参数以及相应的体积能量密度会对壁厚产生更大的影响，因为由此产生的熔池会变得更宽，并深入粉末床[25]。在图10中无法观察到预期的影响。
图10
不同角度的壁宽bw是体积能量密度Ev的函数
此外，多元回归分析(见表3)并没有显示出不同工艺参数对壁厚的明显影响。分析结果表明，激光功率和扫描速度对扫描精度有重要影响。然而，计算出的系数在一个非常小的范围内接近于零。因此，这些参数的变化对壁厚变化的影响很小。考虑标准化系数，激光功率对30°壁厚的影响最大。对于45°壁厚，扫描速度的影响略大。虽然所有壁宽的测量值几乎都是恒定的，但回归分析清楚地发现舱口间距与壁宽的独立性，这是由低显著性(p值)表示的。除了系数值较小外，决定系数R2较低，分别为15.4%和7%，表明单个工艺参数对所得壁厚的影响较小。
表3多元回归分析结果
然而，对于两个角度位置，平均测量的壁厚比CAD模型的壁厚大约大80μm(实线在250μm处)。这表明熔化轨道宽度约为80微米，因为在建造工作中没有使用梁偏移。与规定的光斑尺寸100μm相比，该值相对较小[23]。测量的壁厚证实了脉冲暴露由于较小的熔池宽度而增加分辨率的发现[18,20]。Laitinen等人[20]在316L的单道实验中，脉冲长度为50μs，脉冲重复率为1 kHz，熔体轨迹宽度为80μm(与光点尺寸相似)。当脉冲长度增加到cw时，熔体轨迹宽度变大[20]。Demir等人[18]在脉冲持续时间大于70μs，脉冲重复频率在12 kHz范围内时，实现了熔体轨迹宽度大于光斑直径。根据目前的文献，似乎可以得出结论，脉冲长度为25μs和脉冲重复频率为20 kHz会导致熔体轨迹宽度小于光斑尺寸的范围。此外，相对较短的脉冲持续时间由于相互作用时间短，可能导致恒定的小熔池。
恒定的壁厚意味着换热器生成的通道具有恒定的横截面。恒定的流动截面允许对独立于宏观几何变化的工艺参数的影响进行流动分析。
图11总结了所有调查样本的趋势线函数。不同的体积能量密度Ev用颜色代码表示。此外，该图还显示了两幅拟合的数据图，为具有相同几何尺寸的316L连续暴露换热器结构(黑色虚线和虚线)。虚线表示沿螺旋轴方向建置的换热器结构数据，虚线与螺旋方向正交。所有使用脉冲PBF-LB/M制作的样品都是在正交方向上构建的，因此是在最坏情况下的方向。由于在螺旋方向上建造的结构不包含平坦的悬垂角，因此即使在连续波暴露下，关键的下表皮区域也是光滑的。因此，假设在螺旋方向上建造的结构在高流速下具有低压降的最佳流动结果。
图11
压降pdrop作为流速的函数取决于曝光策略和工艺参数
压降绝对值随流速的增大而增大。在恒定流速下，脉冲暴露的绝对压降随施加的体积能量密度而增加。随着体积能量密度的降低，流动性能得到改善。这被认为是由初步调查证明的下皮肤表面粗糙度倾向较低引起的[9]。然而，密度分析揭示了低密度与低能量密度的标本浸润相结合。应该提到的是，与cw参考(黑色虚线)相比，建筑结构的流动性能得到了改善。然而，只有非常低的能量密度才会导致与最佳情况参考样品(黑色虚线)相似的流动曲线。可能出现两种情况:
1.
热交换器结构的壁对于流体流动是可渗透的。在这种流动下，压降绝对值理论上可以低于最佳情况下试样的压降绝对值(图11曲线平坦)。由于只有一条流动曲线超过了最佳情况下试样的流动曲线，其他缺陷，如浅悬垂角处的高下表皮粗糙度，超过了渗透率的积极影响。
2.
没有或可以忽略的流动通过开孔壁。在这种情况下，所施加的部分真空不会高到足以使流体渗透壁，或者壁的渗透性太小而在测量中无法注意到。流动曲线对体积能量密度的依赖性可以用[9]中所示的更高体积能量密度时粗糙度的增加来解释。较高的粗糙度会由于较高的湍流而导致流体中的摩擦增加，从而导致压降增加。
第一种情况不会对传质可接受的热交换器应用造成损害，例如空气对空气热交换器。然而，原则上，热交换器应该包含不透水的壁。为此，必须使用高于孔隙度阈值的参数。总结一下对流动行为的影响，所有试件的压降都低于在相同构建方向上连续暴露的试件。密度高于97%的试样在最佳情况下表现出明显的流动特性改善(见图11中的黑色实线)。
在本研究中，研究了脉冲曝光策略对激光粉末床金属熔接无支撑制造精丝悬垂结构的影响。该研究旨在将文献中描述的脉冲暴露的积极影响应用于特定的技术部件。以Ti6Al4V为原料，采用改进的EOS M280进行了参数化研究。制造了固体长方体和新型丝状热交换器结构。长方体用来分析得到的试样的密度。研究了换热器结构的尺寸精度和流动特性。
脉冲曝光策略的应用使具有部分水平悬垂的丝状结构的无支撑制造成为可能。这种结构不能用连续波策略制造出足够质量的产品。研究结果总结如下:
密度在99%以上的样品可以用脉冲曝光制作。
当体积能量密度低于30j /mm3时，所确定的密度值因使用的方法(光学法和阿基米德法)而异。这种密度值的差异是由阿基米德方法中液体的渗透引起的。因此，Ev低于30 J/mm3的墙体具有渗透性。
几何精度与所研究范围内的工艺参数无关。这有利于过程的鲁棒性，因为不需要像连续波暴露那样调整各个部分区域的参数。熔体宽度估计为80μm。
在最坏情况下，使用脉冲暴露代替连续暴露可以显著改善流动特性。压降取决于所施加的体积能量密度。用较低的体积能量密度Ev制造的试样产生较低的绝对压降。这种行为归因于较低的粗糙度。
对于未来的研究，将发现转移到其他几何形状和材料将是重要的。此外，还应研究工艺参数对两通道间换热的影响。除压降外，这是换热器最重要的参数。对于这些研究，需要更大的带有相应配件的试样。所显示的结果是这些进一步研究的基础。
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