作者：刘煜，王敏杰，戚文军，刘建业，牛留辉，张佳琪，史振伟，王金海（大连理工大学模塑制品教育部工程研究中心，广东汉邦激光科技有限公司）

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针对3D打印不锈钢模具零件发生的开裂现象，通过建立激光选区熔化（SLM）3D打印过程的热-结构耦合有限元模型，模拟了打印过程的温度场和应力场，对打印开裂进行了分析。结果表明，随打印层数增加和热量在零件内积累，激光扫描区域的温度峰值增加，熔池尺寸变大，冷却收缩产生的应力增加。层厚方向的热应力随着打印层数的增加而增大，应力超过材料强度极限时，裂纹萌生，并在循环应力作用下扩展。降低激光功率和提高基板预热温度使热应力明显减小，有助于抑制打印零件的开裂。

关键词：3D打印；激光选区熔化；开裂；温度场；应力场；不锈钢

1引言

随着产品更新换代速度的加快，对模具制造的响应速度也提出了更高的要求。模具结构复杂、零件众多，按模具零件的外形结构特征与加工工艺，可将模具零件分为轴类、套类、板类、型腔类等4大类。传统的机械加工方式适用于轴类、套类与板类等外形结构简单的零件制造，而在复杂型腔类零件制造中存在制造工序多、生产周期长等问题。激光选区熔化（SLM）是近年来发展迅速的金属增材制造工艺之一[1~2]，其基于分层制造、层层叠加原理，通过激光逐层选择性的熔化金属粉末制造零件，成型零件具有致密度高、尺寸精度高、力学性能好等优点，在复杂结构零部件制造方面具有显著优势。

在采用SLM工艺打印模具零件过程中，对于三维方向尺寸相近且较大的零件，由于打印过程高温引起的热应力不均，往往会导致打印零件开裂，造成零件报废。为此，国内外学者对SLM过程中的开裂问题进行了研究。杨益等对SLM成型钛铝合金的研究表明[3]，残余应力高于材料的抗拉强度时，裂纹在缺陷处萌生，脆性相的存在易导致裂纹的产生与扩展，通过基板预热可有效减小试样的残余应力，从而减少裂纹的产生。张升等对SLM成型TC4钛合金出现的开裂行为进行了研究[4]，认为通过调整工艺参数可改变试样组织，并减小残余应力，从而消除裂纹。张新瑞对铝锂合金SLM成型产生的裂纹缺陷进行了研究[5]，发现较大的凝固区间与残余应力共同导致了裂纹的产生。Marcel等与Luke等均对SLM成型CMLC镍基合金出现的开裂问题进行了研究[6~7]，前者发现减小光斑直径可增加熔深，较大的熔深对裂纹进行重熔减少了裂纹数量，后者发现热等静压处理可有效去除试样内的微裂纹。随着SLM工艺应用的不断深入，打印零件的开裂逐渐受到学者的

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