面向工艺和几何的优化：基于粉末床的激光束熔化工艺中 AlSi10Mg 零件尺寸准确度的优化

在德国联邦物理技术研究院（PTB）第 5.5 部门“科学仪器”的博士课题中，开展了一项系统的研究计划，全面分析了这些影响变量之间的相互作用。其目标是开发减少尺寸偏差和提高可重复性的策略。

最初，通过统计方法，特别是实验设计（DoE）方法和方差分析（ANOVA），对 AlSi10Mg 的基本材料属性（密度、硬度、粗糙度、抗拉强度、断裂伸长率）进行了优化。这些基础研究为后续关于尺寸稳定性的测试奠定了基础。为此，设计了一个测试工件，它整合了各种几何元素（长度测试样品、销钉、孔、圆顶、圆形环）（见图 1）。这些几何形状允许对系统偏差和随机偏差进行差异化的研究。

Figure 1:增材制造的尺寸准确度测试工件

其中一个重点是调整生产系统的光束偏移和 X-Y 轴缩放。这些参数能够纠正沿构建轴的重复偏差，并提高几何准确度（见图 2）。还研究了构建平台位置的影响。研究表明，构建空间中部件的位置根据与屏蔽气体入口的距离，会产生可测量的效果，特别是对于距离测试样本。

图 2：光束偏移和 X-Y 轴缩放调整对距离测试样品尺寸准确度的影响

为了评估所使用的测量技术，详细比较了通过计算机断层扫描（CT）和坐标测量机（CMM）确定的几何偏差。除了几何测量结果外，重点还在于确定测量不确定度。这表明，CT 在捕捉粗糙的增材制造表面方面具有优势，因为它提供了平面信息。接触式CMM 测量在光滑参考元素上提供高探测准确度，但在粗糙度明显的情况下，例如由于形状过滤和接触条件，可能会导致偏差。

结果显示，激光功率和扫描速度是尺寸准确度的关键工艺变量。此外，合适的扫描策略有助于提高表面质量。可重复性测试表明，在多次生产运行中，尺寸准确度总体上是一致的，尽管存在部件和几何依赖的变化。