1引言
激光选区熔化（SLM）打印零件过程中，存在部分未完全熔化的粉末粘附在侧表面形成挂渣的现象[1~3]。这些挂渣会影响零件的尺寸精度和表面粗糙度值，一般只能通过喷砂、抛光等后处理工序进行去除，而部分结构复杂的零件内部的挂渣，即使采用后处理工序也无法去除。这不仅影响零件的生产效率和打印成本，而且也限制了SLM的应用范围[4]。 为解决此类问题，研究者提出了将SLM与数控铣削加工相结合的增减材复合制造技术。Du等结合SLM与精密铣削技术[5]，对18Ni300马氏体时效钢进行增减材复合制造，发现与锻造和SLM相比，增减材复合制造的零件具有更好的表面质量和更高的硬度。Philipp Wüst等采用正交法[6]，优化了增减材复合制造铣削过程中的切削速度、每齿进给量和径向切削深度等工艺参数，认为径向切削深度是对表面质量影响最大的参数，优化后的侧表面粗糙度值降低了23.1%。Bai等研究了6511马氏体不锈钢的增减材复合制造工艺[7]，发现当轴向铣削深度为0.1mm时，表面粗糙度值达到最低值0.32μm，此时刀具会对试件表面产生超过500MPa的压应力。SLM与数控铣削加工相结合的增减材复合制造技术，尽管已经应用于实际生产[8]，但由于刀具尺寸的限制及铣削力的存在，使其难以加工具有薄壁和微孔等结构的零件。
Yasa等提出了一种新的增减材复合制造思路[9]，即在SLM设备上，采用Nd：YAG激光器的连续模式进行增材打印，采用脉冲模式进行减材加工，这种增减材复合3D打印工艺可以提高SLM的精细加工能力，但是长脉冲激光对零件侧表面的加工存在一定的局限性。
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因此，本文采用SLM与皮秒激光切割相结合的激光增减材复合3D打印工艺，针对GH3536合金，研究了皮秒激光工艺参数对打印零件尺寸精度和表面粗糙度值的影响规律，并采用这种工艺打印了薄壁、圆孔等典型几何特征结构，以解决SLM打印零件侧表面的粘附挂渣问题，提高3D打印零件的尺寸精度和表面质量。2激光增减材复合3D打印过程
激光增减材复合3D打印过程如图1所示，打印设备配备两种激光器，一种是用于SLM增材打印的连续激光器，另一种是用于减材加工的皮秒激光器。打印时采用图2所示“实体+轮廓”的扫描策略，先使用连续激光依次打印实体和轮廓两部分，再使用皮秒激光对打印层边缘进行高精度切割，去除粘附在侧表面上的挂渣，如图3所示。然后升降平台下降，铺粉辊进行铺粉，重复上述过程，直至零件打印完成。 3实验条件
3.1实验设备
实验设备采用广东汉邦激光科技有限公司自主研发的LACM-100T打印机，如图4所示。设备配备有200W功率连续激光器，激光器发射波长为1,070nm；平均功率为50W的皮秒激光器，激光器发射波长为1,030nm，脉冲持续时间为1～3ps，重复频率为1,800KHz，最大单脉冲能量为25μJ。设备的最大打印尺寸为105×105×100mm。
3.2实验材料
实验材料选用中天上材制造有限公司制备的气雾化GH3536合金粉末，粉末的微观形貌如图5所示，图1激光增减材复合3D 打印过程示意图
铺粉辊
粉末
基板
交替进行
SLM
打印
皮秒激光
切割激光
冲击
产生的
凹槽
升降平台
图2SLM 扫描策略示意图
Y
X
侧表面
轮廓
实体
Z
图3皮秒激光切割示意图
皮秒激光
光斑
挂渣
实体
扫描轨迹
轮廓
化学成分如表1所示。粉末的粒径分布为ϕ15~ϕ65μm，成球形或近球形状，表面有少量卫星球。
图4LACM-100T打印机
图5GH3536合金粉末形貌
重型工程洗轮机表1GH3536合金粉末的化学成分%
3.3工艺参数设置
在SLM打印过程中，影响零件打印尺寸精度和侧表面粗糙度值的因素，主要有轮廓打印的激光功率、光斑补偿、扫描速度、铺粉厚度和轮廓扫描次数。而皮秒激光切割的激光单脉冲能量、扫描速度、扫描次数和重复频率等工艺参数，才是影响激光增减材复合3D打印最终尺寸精度和侧表面粗糙度值的重要因素。已有研究表明[10~11]，通过优化轮廓打印的工艺参数，难以解决零件表面挂渣对打印尺寸和侧表面质量的影响问题。
因此，本研究首先确定如表2所示的SLM打印工艺参数。主要研究皮秒激光切割过程中单脉冲能量、扫描速度和扫描次数对打印尺寸和侧表面粗糙度值的影响，具体工艺参数设置如表3所示。打印试样尺寸为10×10×10mm。
表2SLM打印工艺参数
表3皮秒激光切割工艺参数
3.4测试方法
采用游标卡尺，测量打印试样水平X方向的打印尺寸，每个试样测量3次求平均值。
采用Dumon TR200粗糙度测量仪，测量打印试样的侧表面粗糙度值，每个试样测量5次求平均值。
采用SOBEKK EPS500影像仪，观察薄壁和小孔结构的形貌并测量尺寸。
4激光增减材复合3D打印的尺寸变化
通过SLM打印和激光增减材复合3D打印的试样如图6所示，SLM打印试样的侧表面粘附有一层挂渣，而激光增减材复合3D打印试样侧表面粘附的挂渣则已经被去除。
图6打印试样上表面及边缘
a——SLM打印b——激光增减材复合3D打印
工艺参数
激光功率/W
扫描速度/（mm/s-1）
扫描间距/mm
铺粉厚度/μm
扫描次数
干涉光刻
光斑补偿/μm
数值
实体打印
160
800
0.07
30
—
—
轮廓打印
100
500磁动力
0.04
30
2
0.05
工艺参数
单脉冲能量/μJ
扫描速度/（mm/s-1）
扫描次数
数值
2.5，7.5，12.5，17.5，22.5
500，1000，1500，2000，2500，3000
5、10、15、20、25
化学成分最大值最小值C
0.05
0.15
Cr
20.5
23.0
Co
0.5
2.5
W
0.2
1
Mo
8
10
Ti
0.15
Al
0.5
Fe
17
20
Ni
剩余
剩余
（a）
（b）
实体
打印
轮廓
打印挂渣
实体
打印
轮廓
打印
4.1
单脉冲能量对打印尺寸的影响
当皮秒激光的扫描速度为1,000mm/s 和扫描次数
为10次时，单脉冲能量对打印尺寸影响的试验结果如图7所示。随着单脉冲能量的提高，打印尺寸减小。当单脉冲能量较低时，切割后的尺寸无明显减小，这是因为过低的单脉冲能量，并未使皮秒激光的能量密度达到材料的烧蚀阈值，无法去除侧表面表粘附的挂渣。当单脉冲能量≥7.5μJ 时，即达到了材料的烧蚀阈值，粘附在侧表面的挂渣可以被去除，打印尺寸减小。随着单脉冲能量的进一步提高，当单脉冲能量≥17.5μJ 时，烧蚀反应增强，材料去除量变大，打印尺寸
进一步减小。
图7单脉冲能量对打印尺寸的影响
4.2
扫描速度对打印尺寸的影响
当皮秒激光的单脉冲能量为17.5μJ 和扫描次数为
10次时，扫描速度对打印尺寸影响的试验结果如图8所示。随着扫描速度的提高，打印尺寸增大。扫描速度大于1,500mm/s 之后，试样尺寸无明显变化。这是因为
扫描速度较低时，激光对单位面积内材料的烧蚀时间较长，材料去除量较大。扫描速度超过一定值后，扫描速度对材料去除量的影响减小，所以尺寸无明显变化。
图8扫描速度对打印尺寸的影响
4.3
扫描次数对打印尺寸的影响
当皮秒激光的单脉冲能量为17.5μJ 和扫描速度
为1,000mm/s 时，扫描次数对打印尺寸影响的试验结果如图9所示，打印尺寸随着扫描次数的增加略有减小。
图9扫描次数对打印尺寸的影响
5激光增减材复合3D 打印的侧表面粗糙度值
通过SLM 打印和激光增减材复合3D 打印试样的
侧表面形貌如图10所示，SLM 打印的试样侧表面因粘附有未完全熔化的粉末颗粒形成挂渣，导致其表面质
量较差。采用激光增减材复合3D 打印，试样侧表面粘附的挂渣被去除，表面质量提高。
图10打印试样侧表面形貌
a ——SLM 打印
a ——激光增减材复合3D 打印
5.1
单脉冲能量对侧表面粗糙度值的影响
当皮秒激光的扫描速度为1,000mm/s 和扫描次数
为10次时，单脉冲能量对侧表面粗糙度值影响的试验结果如图11所示。随着单脉冲能量的提高，侧表面粗
单脉冲能量，μJ
打印尺寸/m m
SLM 打印
激光增减材复合3D 打印
扫描速度/（mm/s ）
打印尺寸/m m
SLM 打印
激光增减材复合3D 打印
扫描次数/次
打印尺寸/m m
SLM 打印
激光增减材复合3D 打印
（a ）
（b ）
糙度值减小。当单脉冲能量较低时，与SLM 相比，表面粗糙度值变化不大。一方面是因为单脉冲能量过低，未达到材料烧蚀阈值，无法去除侧表面粘附的挂渣；另一方面是因为即使达到材料的烧蚀阈值，较低的单脉冲能量烧蚀能力较弱，残留挂渣较多。随着单脉冲能量的提高，激光烧蚀能力加强，大量挂渣被去除，表面粗糙度值明显减小。
摄影箱图11单脉冲能量对侧表面粗糙度值的影响
5.2
扫描速度对侧表面粗糙度值的影响
当皮秒激光的单脉冲能量为22.5μJ 和扫描次数
为10次时，扫描速度对侧表面粗糙度值影响的试验结果如图12所示。随着扫描速度的提高，侧表面粗
糙度值呈先降低后升高趋势。这是因为当扫描速度较低时，激光烧蚀挂渣时间较长，热影响区变大，使得切割后的部分金属熔化形成小液滴粘附在侧表面，表面粗糙度值较大。随着扫描速度的提高，激光与侧表面接触时间变短，热影响区减小，切割表面较平整，表面粗糙度值降低。当扫描速度为1,000mm/s 时，表面粗糙度值达到最低。随着扫描速度的进一步提高，激光对侧表面挂渣的烧蚀时间进一步缩短，表面残留挂渣变多，表面粗糙度值随之增加。
图12扫描速度对侧表面粗糙度值的影响
5.3
扫描次数对侧表面粗糙度值的影响
当皮秒激光的单脉冲能量为22.5μJ 和扫描速度
为1,000mm/s 时，扫描次数对试样侧表面粗糙度值影响的试验结果如图13所示。随着扫描次数的增加，侧表面粗糙度值先减小，达到一定的扫描次数之后，侧表面粗糙度值趋于稳定。SLM 是逐层打印，每打印完一层，轮廓边缘都会粘附挂渣。随着扫描次数的增加，皮秒激光切割不仅可以去除当前打印层边缘的挂渣，还可以去除相邻层新附着的挂渣，从而降低表面粗糙度值，直至稳定。
图13扫描次数对侧表面粗糙度值的影响
6典型几何特征结构的激光增减材复合3D 打印
采用SLM 工艺打印薄壁和小孔等微细结构时，其
侧表面会粘附挂渣，而数控铣削加工由于刀具尺寸的限制和铣削力的存在难以对其进行加工。通过激光增减材复合3D 打印，可以解决这一问题。
6.1
薄壁结构打印
通过SLM 打印和激光增减材复合3D 打印的薄壁
结构如图14所示，激光增减材复合3D 打印可以很好地去除薄壁两侧粘附的挂渣，打印尺寸更接近设计尺寸，如图15所示。
6.2
小孔结构打印
通过SLM 打印和激光增减材复合3D 打印的小孔
龙芯一体机结构如图16所示，激光增减材复合3D 打印能很好地去除小孔内壁粘附的挂渣，打印尺寸更接近设计尺寸，如图17所示。
7
结论
通过对GH3536合金的激光增减材复合3D 打印
工艺试验研究，本文得到如下结论：
单脉冲能量/μJ
侧表面粗糙度值/μm
SLM 打印
激光增减材复合3D 打印
扫描速度/（mm/s ）
侧表面粗糙度/μm
SLM 打印
激光增减材复合3D 打印
扫描次数/次
侧表面粗糙度值/μm
SLM 打印
激光增减材复合3D 打印
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