Tối ưu chiến lược quét laser SLM: chia vùng bàn cờ, xoay giữa các lớp và kiểm soát ứng suất dư

Giới thiệu: Vì sao chiến lược quét quyết định số phận của một khối kim loại

Trong công nghệ SLM, tức nóng chảy chọn lọc bằng laser, các kỹ sư thường tập trung vào ba thông số chính là công suất laser, tốc độ quét và chiều dày lớp bột, nhưng lại bỏ qua chiến lược quét cũng quan trọng không kém. Với cùng bột thép không gỉ 316L và cùng chiều dày lớp, chỉ cần thay đổi đường quét từ sọc một hướng sang chia vùng bàn cờ kết hợp xoay 67 độ giữa các lớp, độ cong vênh của cùng một chi tiết thành mỏng dạng công xôn có thể giảm từ 0,8 mm xuống dưới 0,3 mm. Về bản chất, chiến lược quét là kiểm soát phân bố theo không gian và thời gian của bể nóng chảy, từ đó quyết định gradient nhiệt độ, ứng suất dư và biến dạng cuối cùng. Bài viết này hệ thống hóa logic lựa chọn chiến lược quét SLM trong kỹ thuật.

1. Nguyên lý hình học của các chiến lược quét chủ đạo

Theo cấu trúc đường đi, chiến lược quét SLM có thể chia thành ba loại: quét sọc chia một lớp thành các dải song song, laser quét qua lại theo một hướng cố định; quét bàn cờ chia một lớp thành nhiều đảo nhỏ, bên trong đảo được điền đầy theo dạng rắn bò, hướng quét giữa các đảo liền kề được luân phiên; chia vùng đảo là phân khối ở quy mô lớn hơn. Quét sọc có đường đi dài nhất và tính liên tục tốt, nhưng nhiệt tích lũy theo một hướng duy nhất, dễ gây co ngót có tính định hướng. Quét bàn cờ dùng đường đi ngắn kết hợp luân phiên hướng để cắt đứt dòng nhiệt, là giải pháp chủ đạo để kiểm soát cong vênh. Trong thực tế kỹ thuật, kích thước đảo thường lấy từ 5 đến 10 mm; nếu quá nhỏ, số vùng chồng lấn tăng lên và hiện tượng bắn tóe bột sẽ nghiêm trọng hơn.

2. Góc xoay giữa các lớp: chìa khóa tách ứng suất dư

Xoay hướng quét theo từng lớp là biện pháp cốt lõi để hạn chế tính dị hướng và ứng suất giữa các lớp. Giá trị kinh điển là 67 độ, gần với góc vàng. So với xoay cố định 90 độ giữa từng lớp, 67 độ có thể phá vỡ kết cấu tinh thể với ít chu kỳ lặp lại hơn, làm lệch hướng ứng suất của các lớp liền kề và giảm tích lũy uốn cong. Thử nghiệm cho thấy trên chi tiết thành mỏng AlSi10Mg, xoay 67 độ giữa các lớp có thể làm giảm đỉnh ứng suất dư theo chiều dọc khoảng 30% và giảm cong vênh khoảng 25% so với 0 độ, tức cùng hướng. Tuy nhiên, góc xoay không phải càng lớn càng tốt, mà cần phối hợp với kích thước đảo và mật độ năng lượng.

3. Ranh giới phù hợp giữa mật độ năng lượng và thông số quét

Chiến lược quét phải nằm trong cửa sổ mật độ năng lượng thể tích hợp lý. Lấy 316L làm ví dụ, khoảng VED điển hình là 50 đến 80 J/mm³, tương ứng với công suất laser 200 đến 280 W, tốc độ quét 800 đến 1200 mm/s, điểm laser 0,1 mm và chiều dày lớp 30 micromet. Khoảng cách điền đầy trong đảo thường lấy bằng 3 đến 4 lần đường kính điểm laser, khoảng 0,10 đến 0,14 mm. Mật độ năng lượng quá cao sẽ gây cầu hóa và rỗ khí, quá thấp sẽ gây thiếu nóng chảy. Việc điều chỉnh chiến lược quét, chẳng hạn dùng các đảo bàn cờ nhỏ, sẽ làm thay đổi tản nhiệt cục bộ. Vì vậy sau khi thay đổi chiến lược, bắt buộc phải hiệu chuẩn lại cửa sổ công nghệ, thay vì áp dụng trực tiếp thông số của quét sọc.

4. Hỗ trợ trường nhiệt: gia nhiệt bàn nền và nhiệt độ giữa các lớp

Nguồn gốc của ứng suất dư là gradient nhiệt độ mạnh trong bể nóng chảy. Gia nhiệt bàn nền lên 120 đến 200 độ C, với hợp kim titan có thể cao hơn, có thể làm giảm đáng kể chênh lệch nhiệt độ, giúp mức ứng suất giảm 20% đến 40% đồng thời giảm nguy cơ nứt. Một số thiết bị còn tích hợp giữ nhiệt giữa các lớp hoặc tuần hoàn khí trơ để ổn định nhiệt độ lớp. Khi in các chi tiết thành mỏng kích thước lớn hoặc vật liệu dễ nứt như Inconel, Ti6Al4V, tổ hợp gia nhiệt trước và quét bàn cờ thường hiệu quả hơn so với chỉ điều chỉnh công suất. Cần lưu ý rằng gia nhiệt quá cao sẽ làm suy giảm khả năng hấp thụ laser của bột và tăng tốc quá trình oxy hóa, do đó phải được kiểm soát trong cửa sổ công nghệ của vật liệu.

5. Xác minh và phê duyệt chiến lược quét

Mọi thay đổi chiến lược quét đều cần được phê duyệt dựa trên các chỉ số định lượng: dùng máy đo tọa độ ba chiều để so sánh sai lệch giữa biên dạng thực tế và mô hình số; dùng nhiễu xạ tia X hoặc phương pháp khoan lỗ mù để đo phân bố ứng suất dư; dùng CT công nghiệp để kiểm tra thiếu nóng chảy và rỗ khí tại biên đảo. Nên thiết lập hồ sơ tương ứng giữa chiến lược, thông số và mẫu thử, đồng thời thực hiện đánh giá mẫu đầu tiên đối với các chi tiết quan trọng. Khi chuyển đổi hàng loạt vật liệu hoặc dải chiều dày thành, cần thực hiện lại xác minh công nghệ để tránh chuyển trực tiếp kinh nghiệm thành công của một vật liệu sang vật liệu khác.

Kết luận

Chiến lược quét SLM không phải là lựa chọn đường đi đơn lẻ, mà là một hệ thống công nghệ kết hợp với mật độ năng lượng, xoay giữa các lớp và gia nhiệt bàn nền. Chia vùng bàn cờ giúp kiểm soát cong vênh, xoay 67 độ giữa các lớp giúp tách ứng suất, VED hợp lý đảm bảo nóng chảy liên kết, còn gia nhiệt trước làm giảm gradient nhiệt độ. Chỉ khi đưa các yếu tố này vào quy trình xác minh công nghệ tiêu chuẩn hóa, mới có thể vừa đảm bảo độ đặc chắc, vừa kiểm soát rủi ro biến dạng và nứt trong phạm vi cho phép. Trong sản xuất hàng loạt bằng in 3D kim loại, lantu3D đang dựa vào phương pháp quản lý chiến lược quét có hệ thống như vậy để đạt được khả năng giao hàng ổn định.