關于金屬D打印你需要注意的七件事

1、關于金屬3D打印你需要注意的七件事對于有些工程師，3D打印或許以一種不受歡迎的方式突然出現。公司管理層們看到3D打印如何拯救世界、如何將幾百個零件的裝配體減少至一個、如何 加工表面蒙皮的超輕點陣結構零件等報道，工程師們迫于壓力仔細研究3D打印零部件及工藝。在某些情況下，他們能得到想要到結果。金屬3D打印最常見的形式是粉末床熔融。這類工藝使用熱源( SLME藝使 用激光，EBMC藝使用電子束)逐點將粉末顆粒熔融在一起，逐層加工至物件完 成。粉末床熔融系統(tǒng)有熱源和粉末分布控制機制。圖1粉末床熔融工藝示意圖直接能量沉積法(DED Directed Energy Deposition )和粘結劑噴射法

2、也 可以用來3D打印金屬物件。前者把粉末或者金屬線材送至熱源，后者把液態(tài)粘 結劑沉積在金屬粉末床上。打印完成后，后者對物件進行熱處理、爐內燒結。皿，Wil昌？不只南II附IB海嘏工苒示型因在金屬3D打印過程中，可能會出現大量設備操作者試圖避免的問題，包括 孔隙、殘余應力、致密度、翹曲、裂紋及表面光潔度等。表面光潔度在金屬3D打印件放置陳列室或用于發(fā)動機燃燒室前，它已經經歷了大量類似CNCm工、噴丸或噴砂后處理工藝，因為 3D打印出來的金屬件表面是凹凸不 平的。圖3 EBM工藝3D打印Ti-6A1-4V 鈦合金支架機加工前后受工藝本性的影響，直接能量沉積法生產的是接近最終形狀的零件，它必須進行C

3、N加理以滿足相應規(guī)格要求。粉末床熔融方式生產的零件更接近其最終形 狀，但是其表面依然粗糙。為提高表面光潔度，可采用更細的粉末、更小的層厚。但這種方式會提高材料成本，故需要在表面光潔度和成本間取平衡。由于所 有的粉末床熔融工藝生產的零件都需要進行后處理以達到相應規(guī)格，有時采用粒徑較粗的粉末可以降低成本。由于不管零件表面如何粗糙，零件都可以采用不同 等級的后處理操作。這也意味著相對于金屬 3D打印可能出現的其他問題，表面 光潔度沒那么重要?？紫读慵?D打印過程中，內部非常小的孔穴會形成孔隙，這可由3D打印工藝本 身或者粉末引起。這些微孔會降低零件的整體密度，導致裂紋和疲勞問題的出現。500pm圖4

4、光學髭微旗下產品內部孔隙光學顯微鏡結果比較了工藝引起的熔融不完全孔隙和粉末原料帶來的孔隙， 該結果來自一項名為 “ The Metallurgy and Processing Science of Metal Additive Manufacturing ” 的研究。在霧化制粉過程中，氣泡可能在粉末的內部形成，它將轉移到最終的零件中 由于這個原因，有必要從優(yōu)秀供應商手中采購材料。更常見的是，3D打印過程本身會產生小孔。比如當激光功率過低，會導致金屬粉末沒有充分熔融。當功率過高，會出現金屬飛濺的現象，融化的金屬飛出 熔池進入到周圍區(qū)域。當粉末的尺寸大于層厚，或者激光搭接過于稀疏，將會出現小孔。熔

5、化的金 屬沒有完全流到相應的區(qū)域也會造成小孔出現。為了解決這些問題，大部分設備操作者需要針對特定的材料和任務來調試設備。 對特定的材料和任務，設備參數（如激光功率、光斑尺寸、光斑形狀）需要調整 來使孔隙最少。在粉末床熔融工藝中，采取激光分區(qū)掃描的模式也可以減少孔隙量。 這種類 似棋盤的填充模式代替單向掃描策略，減小了溫度梯度。在SLM工藝中，可以通過調整光斑形狀來減少粉末飛濺， 大家熟知的“脈沖整形” 可以實現區(qū)域逐漸融化。對于EBMT藝，電流會導致粉末顆粒從粉末床飛濺， 它 可以通過電子束快速掃描預熱粉末床來改善。Forecast 3D金屬3D打印實驗室的經理Jim Gaffney給出了以下

6、減少孔隙 的建議：”對于SLM工藝，高品質金屬粉末、合適的加工參數、合理的環(huán)境控制 能保證產品致密度達到99%Z上，最終零件可以通過熱等靜壓去除殘余的孔隙?！?也可以通過滲入其他材料法方式來減少孔隙，如滲銅。但添加輔助材料會改變零件的化學成分，可能會破壞零件原始設計應用場景。密度零件的致密度與孔隙量成反比。零件氣孔越多，密度越低，在受力環(huán)境下越 容易出現疲勞或者裂紋。對于關鍵性應用，零件的致密度需要達到99犯上。除了前文提到的控制孔隙量的方式，粉末的粒徑分布也可能影響到零件致密度。 球形顆粒不僅會提高粉末的流動性，也可以提高零件致密度。止匕外，較寬的粉末 粒徑分布允許細粉末填充于粗粉末的間隙，

7、導致更高致密度。但是，寬粉末粒徑分布會降低粉末的流動性。良好的粉末流動性對于確保鋪粉的平整度、密度非常必要。正與你所想的那 樣，它會影響到產品的孔隙量和致密度。粉末堆積密度越大，零件孔隙量越低， 致密度越高?？▋然仿〈髮W的機械工程學院教授、下一代制造中心(NextManufacturing Center)主任Jack Beuth可以闡述清楚金屬3D打印參數設置與零件孔隙量、致 密度的關系。“零件致密度最大化(孔隙量最少)非常重要，因為制造出來的零件在實際 應用中會經歷循環(huán)載荷”，Beuth解釋道：“在我們CMUF展的研究中，通過控 制3D打印工藝參數，不同來源的孔隙量可以被控制或有效消除。在

8、降低孔隙量 方面，沒有哪一種工藝參數比其他所有工藝好很多，但對每次加工，總會有最優(yōu)的加工參數組合。”殘余應力在金屬3D打印中，殘余應力由冷熱變化、膨脹收縮過程引起。當殘余應力 超過材料或者基板的拉伸強度，將有缺陷產生，如零件有裂紋或者基板翹曲。5殘余應力導致3D打印鈦合金件從平臺脫離殘余應力在零件和基板的連接處最為集中， 零件中心位置有較大壓應力，邊 緣處有較大拉應力?？梢酝ㄟ^添加支撐結構來降低殘余應力，因為它們比單獨的基板溫度更高。 一旦零件從基板上取下來，殘余應力會被釋放，但這個過程中零件可能會變形。勞倫斯利福摩爾國家實驗室科研人員提出了一種降低殘余應力的方法，為了控制溫度起伏，可采取減小

9、掃描矢量長度的方式代替連續(xù)激光掃描。根據零件最 大截面旋轉掃描矢量的方位也許能起作用。另外一種降低殘余應力的方式是，打印前先對基板和材料進行加熱處理。由于操作溫度更低，預加熱在EBMtt藝中比SLM或DEDL藝更常見。在彳惠國不來梅企業(yè)金屬3D打印技術中心的Ingo Uckelmann是金屬3D打印 服務和Materialise 公司的技術經理。Uckelmann解釋有必要在三個階段控制殘 余應力，即數據準備階段、打印過程、后處理階段。“在數據處理階段我們使用Materialise Magics來選擇合適的擺放方向，從而阻止翹曲或后期的應力導致的變形"，Uckelmann說道：“Ma

10、gics也可以選用支撐把零件牢固連接在平臺上，并使用體支撐來快速導熱?！盪ckelmann指出，支撐結構在金屬3D打印過程中扮演了重要卻又“不合理” 的角色。“一方面，需要支撐結構來抵消打印過程的應力，保持零件位置不發(fā)生 變化。另一方面，支撐會散掉打印產生的熱量，因為過高的局部溫度可能會導致 表面質量或力學性能的惡化"，Uckelmann解釋道：“Magics使用混合支撐來扮 演這兩方面角色?！薄按蛴∵^程中，我們使用機器通訊軟件Materialise Build Processor把零件切割成殼體和核心區(qū)”，Uckelmann補充道：”每一部分采用不同的 掃描策略。Build Pro

11、cessor也可以為不同結構的支撐指定不同的掃描策略。比 如，支撐結構可以每兩層掃描一次，以提高掃描效率并降低應力。打印完成后， 我們對所有零件進行熱處理以防止應力變形。”裂紋除了零件內部孔隙會產生裂紋外，熔融金屬凝固或某片區(qū)域進一步加熱也會 出現裂紋。如果熱源功率太大，冷卻過程中可能會產生應力。圖6粉末床熔融工藝中應力導致斷裂分層現象有可能會出現，導致層間發(fā)生斷裂。這可能是粉末熔化不充分或熔 池下面若干層重熔引起的。有些裂紋可以通過后期處理來修復， 但分層無法通過 后處理解決。相應地，可采取加熱基板的方式來減少這個問題的出現。Beuth也能夠解釋清楚金屬3D打印過程中裂紋是如何出現的。他指出

12、裂紋和它 對零件性能的影響不局限于增材制造，在傳統(tǒng)鑄造和其他金屬處理方法中也是大 家關注的問題?！耙话銇碚f，設備制造商支持的材料不會在打印過程中出現裂紋"，Beuth說：“但是，當用戶開始嘗試加工不是制造商支持的材料，如更脆、更硬的合金，這個時候那就得考慮裂紋的問題。與孔隙控制類似，可以通過調節(jié)工藝參數來減 少或者消除裂紋，這是增材制造領域研究熱點?！庇捎诹鸭y在零部件使用過程中出現，比如在疲勞載荷下。Beuth說：“調整3D打印工藝參數可以很大程度上控制這些缺陷。需要注意的一點是，在制造零 件過程中你沒必要消除所有孔隙或者缺陷。 重要的是你知道什么孔隙或者缺陷可 能會存在。如果你能很

13、預判這些，工程師在設計時可以把這些因素考慮進去， 仍 然能制造出可靠、安全的零件?！甭N曲為了確保打印任務能順利開始，打印的第一層熔融在基板上。當打印完成后， 通過CNCm工使零件從基板上分離。然而，如果基板熱應力超過了其強度，基板 會發(fā)生翹曲，最終會導致零件發(fā)生翹曲，會有致使刮刀撞到零件的風險。7金屬3D打印產品前曲Met-l-flo 公司的總裁、增材制造 ASTM F4密員會主席Carl Dekker對這 一現象的發(fā)生做了解釋。“在打印過程中你需要面對多個熱因素，即使你的產品 非常厚，也會因此產生附加應力"。Dekker說道：“打印過程有多個快速變化狀態(tài)。有些時候會導致零件從支撐脫

14、離。也有可能支撐足夠多，會對平臺產生拉 力。它可能導致平臺變形，它不是在你打印時發(fā)生，但是會發(fā)生在從機器取出平 臺或進行后續(xù)加工階段。”因此，為了防止翹曲，需要在合適位置添加適量的支撐。如果不對每個要打 印的零件進行反復嘗試，這些設置非常難以確定?，F在也有些正在開發(fā)的軟件解 決方案，比如3DSIM公司的打印預測軟件。當對一個設備的工藝有足夠了解后，也可以用Materialise 公司的Inspector軟件進行金屬3D打印質量控制。正如Inspector產品經理Vincent WanhuYang所說：“在Materialise 公司，我們注意到需要更精細的質量控制， 我們的Inspector軟

15、件可以處理加工過程照片來提高使用者對工藝的認知，從而判斷出哪些區(qū)域可能受翹曲影響。 通過分析根本原因和檢測矢量，用戶可以判斷 支撐是否缺乏，是什么導致變形。理解加工過程對下一次金屬3D打印的順利進行非常必要?！逼渌麊栴}其他變形，比如膨脹或者球化，也可能出現在金屬3D打印過程中。膨脹發(fā)生于熔化的金屬超出了粉末的高度。類似地，球化為金屬凝固成球形而不是平層。這和熔池的表面張力有關，它可以通過控制熔池的長度-直徑比小于1-2來減弱Meti Ml ipfnMborDelamtnatKxi圖8 3D打印不銃銅球化與分層暴露在氧氣或者潮濕環(huán)境中可能會導致合金的成分發(fā)生變化。比如，隨著 Ti-6A1-4V鈦

16、合金中氧元素增加，鋁元素含量可能會降低。在粉末重復使用時, 這一現象尤為常見。重復使用會導致粉末球形度降低，流動性降低。打印過程也可能導致合金的成分發(fā)生變化。 合金是由多種金屬元素組成，打印時 低熔點元素可能會蒸發(fā)。對Ti-6Al-4V這種常用航空鈦合金，Ti比Al元素有更 高的熔點，在打印過程中這種材料的成分可能會改變。正如航空管理咨詢公司Aerolytics 的創(chuàng)始人Bill Bihlman所說：“如果能 量密度過高，你會導致鋁元素蒸發(fā)。也可能會燒穿的下面額外幾層。每次你重復 加熱或冷卻某區(qū)域，它會影響殘余應力，最終使材料性能降低?！弊尳饘?D打印更加美好讀到這里，正如大家所3#想的那樣，在金屬 3D打印時避免各種問題仍需要 大量的工藝知識積累和不斷嘗試。每個零件都需要修改設備參數，通常導致設備 操作者需多次打印同一個零件，直至克服翹曲、裂紋、孔隙等問題。一旦打印完 成，需要對零部件進行測試，確保其滿足相關標準。讀到這里大家可能明白了，這個行業(yè)仍然在積累每種 3D打印技術的知識。那些已固化其設備加工參數的企業(yè)不一定能第一個解釋清楚是什么導致打印成 功。“先行者們擁有競爭優(yōu)勢，先進入這一行業(yè)的能夠實現自身差異化發(fā)展”， Bihlman解釋道：”他們利用了這一現實，3D打印學習曲線非常陡峭，然而它并 不是那么前沿。他們不會傳播任何他們不必做的事物?！?/p>