一种针对TC4钛合金薄壁结构的新型3D打印矢量自适应扫描策略

笔者注意到，来自皇家墨尔本理工大学的研究人员，近日在TC4钛合金薄壁结构高精度、低缺陷3D打印制造领域取得进展。

他们采用三种不同的扫描策略，分别加工了100种几何构型，最终得到300个试样，并进行了全面评估。

最终发现壁厚和加工角度是影响结构完整性和尺寸精度的主要因素，扫描策略的影响相对较小。但新型的矢量自适应扫描策略，对10°至30°范围内的无支撑或少支撑打印更有优势。

Ti6Al4V 薄壁结构的CAD模型和实际打印图

随着LPBF金属3D打印技术的应用越来越深入，在航空发动机和散热结构中的极限特征应用也越来越多。尤其是薄壁结构，它们在提高强度重量比和高效导热方面正发挥重要作用。

但此类结构的3D打印并不容易，翘曲、表面质量差、制造精度低、可靠性差，是常遇到的问题。

尤其是当存在角度倾斜时，这些制造挑战就更加严重，累积的热应力和粉末支撑不足，常常导致变形或结构失效。

标准扫描策略、表面优化扫描策略和矢量自适应（自由浮动）扫描策略

工艺技术人员通常将研究重点聚焦在激光功率、扫描速度和扫描间距等基本参数的调整上，但对于扫描策略却并没有充分探索。

而实际上，扫描策略对累积的热应力和粉末支撑不足常常导致变形或结构失效。与之相关的主要参数包括扫描顺序、矢量长度和旋转角度，激光路径就是通过这些参数控制，它们会显著影响薄壁结构的变形趋势、孔隙率和尺寸偏差。

Ti-6Al-4V薄壁结构进行可制造性评估，其中“t”表示壁厚（0.1–1.0 mm），“θ”表示成型角度（0–90°）。a.使用三种扫描策略（标准、表面优化和自由浮动）成功构建，无可见变形且相对密度≥98.65%。b . θ = 0°–30° 时的表面形貌演变。c – e.代表性缺陷模式。图e中的红色双向箭头突出显示了可逆几何双稳态柔性

皇家墨尔本理工大学的研究人员提出了一种全因子实验框架，严格评估了壁厚和成型方向之间的相互作用，并重点对比新型矢量自适应扫描策略（商业化名称为Free Float）与两种成熟的传统策略。

笔者发现，Free Float实际上是SLM Solutions推出的热管理扫描策略，它能够根据局部几何形状（特别是壁厚和倾斜角）动态调节扫描矢量的数量、长度和方向，从而控制每层的扫描面积并主动缓解有害的热梯度。

他们的研究目标是确定这种自适应扫描矢量方法是否能够显著提高亚毫米级壁厚（≤ 1.0 mm）部件在所有相关成型方向下的几何精度和结构完整性。

研究制备了300个钛合金（Ti-6Al-4V）试样，涵盖十种壁厚（0.1-1.0 mm）、十个倾斜角（0°-90°）和三种扫描策略。

采用LPBF技术制造的Ti-6Al-4V结构化换热器。设计包括：a矩形板翅，b波纹板翅，c薄板晶格内部视图，d薄板晶格外部视图，e蜂窝单元，f壁厚0.3 mm的螺旋结构，以及壁厚0.5mm的螺旋结构

三种扫描策略分别为传统标准策略（不根据零件倾斜角度调整参数）、表面优化策略（引入上下表面专用参数）和矢量自适应策略。最后一种测试，其核心是通过动态调整扫描矢量的数量、长度和方向来控制热积累。

为确保统计有效性并评估工艺重复性，对实验矩阵进行了两次完整的重复实验。

此外，为消除支撑结构对三种扫描策略比较评估的干扰，另取一组全部为薄壁的试样直接在构建平台上制备。

这种方法能够对尺寸精度、结构完整性和微观结构演变进行准确评估。所有样品均采用恒定的高度和长度（10 毫米）制成，以保持一致的热历史并隔离几何形状和扫描策略的影响。

结果表明，矢量自适应策略显著提高了尺寸精度，尤其是在关键的浅悬垂区域（10°-30°）更为明显。

采用LPBF工艺制备的Ti-6Al-4V三壁不锈钢薄壁结构的尺寸偏差热图

与标准策略相比，该方法将平均尺寸偏差降低了29.7%至30.6%；与采用下表面参数自适应的表面优化策略相比，降低了3.5%至3.7%。壁厚≥0.2 mm的试样实现了高结构完整性，相对密度超过98.65%。

对比分析表明，采用自由浮动策略和表面优化策略制造的零件在尺寸精度方面差异极小。

在所有制造方向上，两种策略制造的零件中，有80%的样本中尺寸偏差小于0.02 mm。最大偏差仅为0.04 mm，出现在标称厚度为1.0 mm、倾斜角度为10°的样本中，此时自由浮动策略测得的实际壁厚为1.33 mm，表面优化策略为1.37 mm。

这也就意味着，扫描策略的影响并非最大。但该研究仍然为TC4钛合金薄壁结构的高精度可靠制造，提供了一个更优的工艺窗口，使其能够稳定打印壁厚大于0.2mm的薄壁。

这项工作将对航空航天部件和热管理部件开发提供直接工艺指导。相关研究以“Beyond expert intuition: evaluating a vector‑adaptive scan strategy to enhance geometric fidelity in hard‑to‑print Ti‑6Al‑4V thin‑walled structures”为题。

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