Island Interface Porosity in PBF-LB 316L: Effects of Island Overlap and Interlayer Shift in Chessboard Scanning

在现代制造业领域，有一种技术可以根据数字设计，逐层构建实心金属物体，而无需使用模具或沉重的切割工具。这种被称为粉末床熔融（powder bed fusion）的过程，通过在平台上铺设一层薄薄的精细金属粉末，然后使用强力激光熔化特定点，将粉末熔合为固体形状。随着激光的移动，它勾勒出零件的几何形状；一旦一层完成，平台会略微下降，铺设一层新的粉末，并重复该过程，直到物体制作完成。虽然这种方法允许工程师创造出通过其他方式无法实现的极其复杂的形状，但由此产生的零件并不总是完美的。该过程中固有的快速加热和冷却现象可能会留下微小的、肉眼不可见的孔洞，称为气孔。这些空隙是一个严重的问题，因为它们会削弱金属，使其更容易在压力下产生裂纹或发生故障，这对于航空航天和医学等对安全性要求极高的行业来说是一个至关重要的担忧。

为了管理打印过程中产生的剧烈热量，制造商通常采用一种称为“棋盘式扫描”（chessboard scanning）的策略。软件并没有让激光在整个零件上绘制一条长而连续的线，而是将表面分解成小正方形或“岛屿”组成的网格。激光填充一个方块，然后跳到另一个方块，通过交替方向来防止热量在某一点堆积。然而，这种方法会在这些方块相遇的地方产生新的边界。如果激光在这些边缘处熔化的粉末不足，方块就无法很好地融合，从而在岛屿接触的地方留下弱点和孔洞。多年来，工程师们一直试图通过在每一层之间稍微移动网格图案来解决这个问题，希望新的一层能够熔化掉前一层留下的间隙。但最近的一项研究表明，仅仅依靠偏移并不是全部答案，而另一种调整——即激光在同一层内追踪边缘时的重叠程度——起着更为关键的作用。

巴拉那联邦技术大学和 Alkimat Tecnologia 的研究人员致力于调查这两个因素在打印不锈钢时是如何相互作用的。他们专注于一种广泛用于其强度和抗锈能力的特定钢材：AISI 316L。他们使用一台配备 200 瓦激光器的机器打印了金属小立方体，并通过改变两个特定设置来观察它们如何影响材料内部的孔洞数量。第一个设置是“岛屿偏移”（island shift），即他们在每一层之间将整个网格图案移动 1 毫米。第二个设置是“岛屿重叠”（island overlap），它控制了激光路径在打印当前方块时向相邻方块延伸的程度。简单来说，他们测试了仅仅通过上下移动图案是否足以封堵间隙，还是需要刻意让激光更积极地追踪方块边缘以确保牢固的结合。

该团队打印了数十个样本，通过将它们切开并在显微镜下观察横截面，仔细测量了每个样本的内部结构。他们发现，仅仅在层与层之间移动网格（这是行业内的常见做法）对于修复孔洞几乎没有效果，如果方块之间的重叠过小。当他们使用标准的、最小的重叠量时，即使进行了层间偏移，也无法阻止由于缺乏熔合导致的缺陷在岛屿边界形成。无论层如何偏移，孔洞始终集中在方块相遇的地方。这一发现挑战了“偏移图案本身就是解决这些特定缺陷之有效良方”的假设。

然而，当研究人员增加重叠量时，结果发生了戏剧性的变化。通过调整激光使其在相邻方块中追踪得更远，他们迫使金属在边界处熔化和融合得更加彻底。随着重叠量的增加，岛屿界面处的孔洞浓度消失了。最显著的改进发生在他们将重叠量设置为 150% 时，此时激光路径远远超出了其指定方块的边缘。在这个水平上，孔洞不再聚集在一条弱线上；相反，它们均匀地分布在整个材料中，且总空隙量显著下降。当他们将这种高重叠量与 1 毫米的层偏移相结合时，效果甚至更好，将平均孔隙率降低到了仅为 0.10%。

研究还观察了打印这些零件所需的时间。增加重叠意味着激光必须行驶更长的距离，这为过程增加了一点点时间，但增加的幅度微乎其微。研究人员得出结论，使用这种棋盘式策略生产强韧、致密金属零件的最有效方法，不是依赖于层间的偏移，而是要确保激光足够重叠地经过岛屿边缘，以保证完全熔化。虽然偏移有助于分散残余的缺陷，但如果初始的方块间融合不完全，它无法解决问题。这一见解为工程师提供了一条明确且实用的路径，用以提高金属 3D 打印零件的质量，确保它们免受那些可能导致失效的隐藏弱点的影响。