3D打印金屬零件基體質(zhì)量分析

1、研究的目的和意義：國(guó)外研究現(xiàn)狀：目前，對(duì)于3D打印研究主要集中在3D打印技術(shù)和成型材料的研究上。歐洲有名的RapidTooling 方案提供商 MCPt出了直接成型金屬的設(shè)備MCPRealizer,將其應(yīng)用到SLM可以成型壓鑄工具、注射模以及有一定成分金屬和陶瓷的醫(yī)學(xué)植入體。設(shè)備的 最小鋪粉層厚約 50科m,成型室尺寸為 250X 250X 240mm3成形速度為5mm3爪 可以加工壁厚小于100 dm的薄壁件，且零件表面粗糙度可以達(dá)到1030 dmi日本的Oskada實(shí)驗(yàn)室的SLM技術(shù)也取得了很大進(jìn)展，零件層厚可達(dá)，掃描速度可達(dá)34mm/&對(duì)鈦金屬粉末進(jìn)行激光成形，可制成致密度達(dá)92

2、%的金屬零件，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到290MPa。華南理工大學(xué)的王煥美根據(jù)DE微據(jù)模型的特點(diǎn)，通過(guò)獲得等高線的方式來(lái)獲得三維打印的分層數(shù)據(jù)，用 UV油墨作為成型材料完成三維地形圖的彩色打印。同時(shí)對(duì)打印的地形圖質(zhì)量 問(wèn)題（如梯田現(xiàn)象嚴(yán)重、 高度誤差等）提出解決方案，并研究了其色域范圍以及打印的線條粗糙度、寬度等屬性，為地形圖彩色三維打印提供質(zhì)量控制方法。華中科技大學(xué)的彭昌吻依據(jù)選擇性激光熔化技術(shù)的特點(diǎn)， 從掃描線的單道熔覆高度和寬度出發(fā)，分別研究了激光功率、掃描速度、能量密度對(duì)單道熔覆高度和寬度的影響規(guī)律。并以此為基礎(chǔ)，采用SLM（選擇性激光熔化技術(shù)，該技術(shù)將同種材料進(jìn)行多層熔覆，熔覆層間的結(jié)合質(zhì)量更容

3、易得到保證。 同時(shí)， 由于激光的高能量密度特性， 熔覆層金屬的顯微組織十分細(xì)小均勻，因而具有良好的硬度、塑性和耐腐蝕性能。 ）方法在不同工藝參數(shù)下制造出理論高度為10mmi勺薄壁墻，并對(duì)薄壁墻高度方向的成形精度進(jìn)行了研究。通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)的方法，研究了選擇性激光熔化成型件時(shí)激光工藝參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律， 結(jié)果表明， 激光功率為主要影響因素。通過(guò)改變切片層厚和傾斜角度a ,研究了選擇性激光成型件側(cè)表面的粗糙度， 結(jié)果表明成型零部件的側(cè)面粗糙度與切片層厚的大小成正比， 與傾斜角度的大小成反 比。華中科技大學(xué)模具重點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室快速制造中心從2003年開(kāi)始，就開(kāi)始了 SLM技術(shù)的研究。目前，該中心先

4、后推出了兩套SLM設(shè)備：HRPM-I和HRPM-II ,該中心成功制造了形狀復(fù)雜的薄的網(wǎng)格件和葉片，但成型件較為疏松，最大致密度只達(dá)到80%。華南理工大學(xué)與北京隆源自動(dòng)化成型設(shè)備有限公司等單位合作， 在選擇性激光燒結(jié)設(shè)備的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了一種選擇性激光熔化快速成形設(shè)備，該設(shè)備的成型空間為80X 80x 50mm3采用整體和局部惰性氣體的方法對(duì)成型過(guò)程進(jìn)行保護(hù)，制件尺寸的精度達(dá)到±，表面粗糙度Ra為3050科m,相對(duì)密度接近 100%【非常重要參考】一、3D打印影響金屬零件基體質(zhì)量的因素：1. 三維打印快速成形機(jī)器和材料誤差機(jī)器精度與誤差： 機(jī)床的機(jī)械運(yùn)動(dòng)、定位和測(cè)量精度以及光學(xué)系統(tǒng)的影響

5、。材料 形態(tài)的變化 直接影響成形過(guò)程及成型件精度。 【此部分原文為樹(shù)脂材料，此處考慮同樣可以適用于金屬材料】 在成形工藝過(guò)程中， 金屬?gòu)囊簯B(tài)變成固態(tài)的過(guò)程中要產(chǎn)生線性收縮 和體積收縮 。 而線性收縮將導(dǎo)致在逐層堆積時(shí)產(chǎn)生層間應(yīng)力， 這種層間應(yīng)力使成形件變形翹曲，導(dǎo)致精度喪失。 線性收縮在成形固化過(guò)程中導(dǎo)致整個(gè)成形件尺寸和形狀位置發(fā)生變化， 使精度降低。此外，體積收縮將引起成形件尺寸的變化，導(dǎo)致零件精度減小。2. 前期數(shù)據(jù)處理對(duì)成形質(zhì)量的影響在所有的快速成形工藝中， 一個(gè)零件的模型在造型軟件中生成之后， 必須經(jīng)過(guò)分層處理才能將數(shù)據(jù)輸入到設(shè)備中。形成的STL格式文件按照一定的厚度進(jìn)行分層切片處理，

6、并將切片后每層加工所需的二維截面輪廓信息存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。 在數(shù)據(jù)處理時(shí)， 三維模型三角化過(guò)程中“臺(tái)會(huì)形成模型誤差， 而在切片過(guò)程中由于層厚的存在不可避免地會(huì)在成形工件輪廓上形成階效應(yīng)” 。另外還可能遺失切片層間的微小特征結(jié)構(gòu)形成誤差。不同切片層厚對(duì)成形精度的影響3. 成形過(guò)程 對(duì)成形質(zhì)量的影響三維打印快速成形要經(jīng)歷液滴的 噴射、 沉積、 擴(kuò)展、 融合和固化 這幾個(gè)階段， 在每個(gè)階段中，都存在許多對(duì)成形過(guò)程造成不良影響材料和設(shè)備工藝因素，并最終影響到零件的成形質(zhì)量。（針對(duì)激光掃描及覆熔）激光束掃描方式掃描方式與成形工件的內(nèi)應(yīng)力密切相關(guān)，合適的掃描方式可以減少零件的收縮量及翹曲變形，可以提高零件的

7、成形精度。液滴噴射時(shí)的影響因素三維打印快速成形過(guò)程首先要求 金屬液體能夠有良好的噴射形態(tài)， 即噴頭能夠以一定的速率穩(wěn)定地噴射均勻尺寸的單一自由液滴， 在任何情況下如發(fā)生噴孔的堵塞或產(chǎn)生衛(wèi)星液滴均會(huì)影響到成形件最終質(zhì)量和成形效率， 致使成形件的表面精度降低和發(fā)生結(jié)構(gòu)缺損， 例如成形表面會(huì)出現(xiàn)溝壑和間隙，嚴(yán)重的情況下，甚至?xí)斐沙尚渭膱?bào)廢。驅(qū)動(dòng)脈沖壓電陶瓷片在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下， 發(fā)生彈性變形， 從而擠壓噴頭內(nèi)的材料并將其噴出， 因此，驅(qū)動(dòng)脈沖對(duì)于獲得良好的液滴噴射形態(tài)起到關(guān)鍵的作用。 脈沖的幅值、 形狀和頻率是驅(qū)動(dòng)脈沖的三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，其中任何一個(gè)參數(shù)的改變都會(huì)影響到噴射液滴的形態(tài)。（ 1 ）驅(qū)動(dòng)

8、脈沖幅值驅(qū)動(dòng)脈沖的幅值越大， 液滴尺寸與噴射速度也就相應(yīng)增加。 如果驅(qū)動(dòng)脈沖幅值太小， 液流在充分地失穩(wěn)而形成離散的自由飛行液滴之前， 液流甚至可能完全回縮至噴嘴內(nèi)無(wú)法實(shí)現(xiàn)正常的噴射； 如果驅(qū)動(dòng)脈沖幅值太大， 則多個(gè)液滴最終會(huì)形成衛(wèi)星液滴， 這種衛(wèi)星液滴無(wú)法主液滴合并。（ 2 ）驅(qū)動(dòng)脈沖形狀EricRLee通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)以下幾點(diǎn)：較小的脈沖寬度傾向于產(chǎn)生較小的液滴；較小的脈沖寬度一般傾向于需要較高的脈沖幅值； 液滴的直徑主要取決于噴孔的直徑， 調(diào)整脈沖寬度， 可以使液滴的直徑在倍的噴孔直徑范圍內(nèi)變化， 多數(shù)情況下， 最好使液滴的直徑與噴孔直徑的差別為土20%在一定的脈沖寬度范圍內(nèi)，改變脈沖幅

9、值有時(shí)可導(dǎo)致液滴直徑突然發(fā)生很大的跳躍； 改變脈沖寬度有時(shí)會(huì)影響液滴噴射方向的穩(wěn)定性， 所以， 應(yīng)在不同的脈沖寬度下進(jìn)行調(diào)整，使噴射的液滴的方向趨于正常。（ 3 ）驅(qū)動(dòng)脈沖頻率在噴射循環(huán)期間， 有些液體會(huì)在噴孔外表面沉積少量的殘余。 噴射脈沖頻率過(guò)大時(shí)， 與液體的蒸發(fā)速度和由于負(fù)內(nèi)壓作用將液體吸回噴頭的速度相比， 這些外表沉積液的形成速度高得多。 在此環(huán)境下， 可見(jiàn)的液珠可能出現(xiàn)在噴孔外表并使穩(wěn)定的噴射中斷， 甚至在可見(jiàn)液珠形成之前，都已在噴孔外表面形成了很厚的彎月面，只有穿過(guò)此彎月面才能進(jìn)行噴射。噴射頻率很高還會(huì)使液體升溫，從而改變液體的黑占度，甚至使壓電器件喪失極性、毀壞或使液體沸騰。噴孔

10、處的液體情況靠近噴孔處的液體狀況對(duì)噴射有重要的影響。 例如， 若噴孔附近液體內(nèi)壓力較高， 會(huì)迫使液流以緩慢滲漏的形式從噴孔流出， 這將導(dǎo)致噴射系統(tǒng)運(yùn)行中斷， 因?yàn)閲娚湟话悴豢赡芡ㄟ^(guò)覆蓋噴孔的厚液層；較高的噴射速率也會(huì)在噴孔表面遺留殘?jiān)?，最終造成停止噴射。液體的溫度液體的溫度對(duì)液體界面張力有較小影響， 但是對(duì)液體的黏度卻有著很大的影響， 在比室溫略高的溫度下可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定噴射。溫度太高，支撐材料容易熱聚合產(chǎn)生凝膠，堵住噴頭。材料屬性一些在使用上要求產(chǎn)品強(qiáng)度比較大的金屬零件還無(wú)法使用3DTER的成產(chǎn)方式，比如：飛機(jī)引擎內(nèi)部的高性能零件仍然無(wú)法使用這種方法制造。液體材料密度：密度越大，最大速度減小，最

11、大壓力增加，不利于噴射；液體材料黏度：黑占度過(guò)高時(shí)，液體流動(dòng)和形成小液滴需消耗大量動(dòng)能，液體不能從噴頭噴出，而當(dāng)黑占度過(guò)低時(shí)液體拖尾容易漏出和液體飛濺；液體材料界面張力： 界面張力過(guò)高時(shí)形成液滴所需表面能大， 液體不易形成小的液滴難以噴射出來(lái)， 而當(dāng)界面張力過(guò)低時(shí)， 液滴噴射出后迅速在工作面上鋪展一方面無(wú)法形成有效層高另一方面影響制件的尺寸精度。填充速度與擠出速度擠出速度是指噴頭內(nèi)熔融態(tài)材料絲從噴嘴擠出的速度； 填充速度是指掃描截面輪廓速度或打網(wǎng)格的速度。為了保證良好的打印效果，需要將擠出速度和填充速度進(jìn)行合理匹配。液滴沉積位置誤差（3D打印是基于離散堆積制造的原理：三維CAD模型切片，將輪廓

12、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為位圖數(shù)據(jù)，位圖數(shù)據(jù)以點(diǎn)陣描述信息，在不飛濺前提下準(zhǔn)確落地預(yù)定位置。 ）噴嘴噴射高度、射流方向和噴嘴中心偏移誤差 噴嘴內(nèi)壁狀態(tài)的影響噴嘴內(nèi)壁應(yīng)光滑垂直，否則容易腐蝕變得粗糙液滴鋪展時(shí)的影響因素四點(diǎn)要求： 1. 要完全鋪展，防止相鄰液滴之間無(wú)空隙； 2. 液滴直徑越小，分辨率越高； 3.平衡時(shí)的液滴高度決定了形層的有效層高度； 4. 有清晰邊緣，保證成形件側(cè)壁的質(zhì)量。主要因素：液滴接觸角、底材溫度。液滴接觸角（判斷液體對(duì)固體濕潤(rùn)度參數(shù)）對(duì)于微滴噴射而言，當(dāng)接觸角太小時(shí)，液體會(huì)散開(kāi)、潤(rùn)濕整個(gè)沉積層上表面，因此不能在此表面上形成良好的液滴， 導(dǎo)致邊緣的清晰度與分辨率的喪失， 無(wú)法形成有效層高；

13、 當(dāng)角度太大時(shí)，液滴呈球狀，不能濕潤(rùn)沉積層上表面，導(dǎo)致接觸不充分，出現(xiàn)缺陷。預(yù)熱溫度對(duì)粉末材料進(jìn)行預(yù)熱， 可以減小因燒結(jié)成型時(shí)受熱對(duì)工件內(nèi)部產(chǎn)生的熱應(yīng)力， 防止出現(xiàn)翹曲和變形， 提高成形精度。 預(yù)熱溫度對(duì)沉積液滴形貌的影響。 此處研究的為樹(shù)脂材料溫度由低至高的三種形貌：（ 1 ）簡(jiǎn)單帽形輪廓（預(yù)熱溫度為 70）（ 2 ）過(guò)渡形輪廓（預(yù)熱溫度為80 ）（ 3 ）過(guò)渡形輪廓（預(yù)熱溫度為90 ）比表面體積很大，散熱快，所以預(yù)熱溫度至關(guān)重要。 （有成銳角的邊緣和平整的表面）液滴融合時(shí)的影響因素如果相鄰的兩個(gè)液滴不能很好的融合為一個(gè)整體， 制得的樣件表面明顯的呈線性， 而融合良好的液滴則沒(méi)有這種情況。原

14、因就是分辨率的問(wèn)題， 提高分辨率有助于改善成形件的表面質(zhì)量和精度。 噴射層厚度決定Z 軸方向的分辨率，可以降低工作臺(tái)每次移動(dòng)的距離；縮小噴射液體體積，控制液滴鋪展的直徑和高度也有助于改善成形分辨率。掃描步距也是影響制件外觀形貌和內(nèi)部質(zhì)量的重要因素之一， 如圖， 為不同掃描步距下微滴間可能產(chǎn)生的搭接現(xiàn)象。 當(dāng)掃描步距過(guò)大時(shí)， 熔滴間無(wú)法有效搭接成型實(shí)體 ； 當(dāng)掃描步距過(guò)小時(shí) ， 熔滴間發(fā)生過(guò)度搭接而隆起。 對(duì)不同掃描步距下成型的制件內(nèi)部進(jìn)行觀察， 當(dāng)搭接率過(guò)大或者過(guò)小時(shí)， 內(nèi)部均會(huì)產(chǎn)生孔洞。 可以采用基于體積恒定法的最優(yōu)化步距算法來(lái)確定合適的掃描步距。（參閱 2）微觀孔洞和冷隔屬微滴噴射沉積件內(nèi)

15、部常見(jiàn)的微觀缺陷 ， 主要受熔滴溫度、 基板溫度等的影響 。 熔滴溫度較低時(shí)， 液相分?jǐn)?shù)較小， 熔滴間搭接間隙難以填充完全 ， 形成間隙孔洞 . 當(dāng)基板溫度過(guò)低時(shí)， 熔滴在較短時(shí)間內(nèi)就會(huì)完全凝固 ， 可供熔滴鋪展以及填充搭接間隙的時(shí)間較短，亦會(huì)引起間隙孔洞 . 除間隙孔洞外， 在熔滴最后凝固的區(qū)域還會(huì)存在凝固收縮孔洞 ， 此類孔洞通常難以完全消除， 因其尺寸小 ， 數(shù)量少 ， 對(duì)整體性能影響不大. 此外 ， 熔滴溫度與基板溫度的合適匹配也是保證熔滴間良好重熔及冶金結(jié)合的必要條件。 西北工業(yè)大學(xué)采用有限單元法和單元生死技術(shù)對(duì)沉積過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬 ， 獲得了鋁合金沉積過(guò)程中熔滴溫度和基板溫度的最佳

16、匹配值。成形層固化時(shí)的影響因素主要是成形層固化速率， 如果成形速率較慢， 則成形件非常容易變形， 半固化層無(wú)法支撐下一次噴射的液體， 落下的液體也會(huì)是半固化的液體膨脹， 是液體到處流動(dòng)。 其影響因素主要為材料因素和固化工藝條件。材料因素對(duì)固化速率的影響主要是材料的預(yù)熱溫度以及材料的組成成分（選域打印、熔覆打印和焊接打印等工藝）粉末成分及顆粒大小， 成形過(guò)程不受外力， 難以消除粉末間間隙，導(dǎo)致制件容易出現(xiàn)孔隙，其強(qiáng)度、硬度比傳統(tǒng)鑄件要低。固化工藝條件對(duì)固化速率的影響對(duì)于光敏樹(shù)脂材料，主要從成形層厚度、紫光燈功率、照射距離以及紫光燈掃描速度4. 后處理過(guò)程對(duì)成形精度的影響從成形機(jī)上取出已成形的工件

17、后，需要進(jìn)行剝離支撐結(jié)構(gòu)，有的還需要進(jìn)行修補(bǔ)、 打磨、拋光和表面處理等。（ 1 ）去除支撐時(shí)，可能對(duì)表面質(zhì)量產(chǎn)生影響； （ 2 ）溫度、濕度的變化，工件可能會(huì)繼續(xù)變形并導(dǎo)致誤差， 或者因?yàn)榧庸すに嚨囊蛩赜绊懏a(chǎn)生殘余應(yīng)力而發(fā)生形變； （ 3 ） 加工好的存在著小臺(tái)階小缺陷，需要進(jìn)一步的修補(bǔ)、打磨、拋光，操作不當(dāng)就會(huì)影響尺寸及精度。成形件質(zhì)量問(wèn)題一、測(cè)試件形狀： （調(diào)節(jié)比例因子）1. 零件的臺(tái)階效應(yīng)當(dāng)三維打印成形件的外表面法線方向與加工方向成一定夾角時(shí)， 由于受到離散堆積成形原理日勺影響，外表面會(huì)因?yàn)榕_(tái)階效應(yīng)產(chǎn)生臺(tái)階誤差，零件外表面的臺(tái)階紋微觀形貌如圖所示。臺(tái)階效應(yīng)不僅受液滴沉積形貌 、 分層厚度

18、 的影響， 而且與成形件的外表面法線方向和加工方向的 夾角 有關(guān)。 （使用表面粗糙度來(lái)測(cè)定）2. 成形面上表面為平面表面法線方向與加工方向一致， 所以表面質(zhì)不會(huì)受到階梯效應(yīng)影響， 表面成形精度較高， 粗糖度較低。 但受到沿軸成形分辨率的限制， 零件表面會(huì)出現(xiàn)一條條溝壑狀的條紋， 而且起伏不平，呈鱗片狀。 （ a 高速度）平整、細(xì)膩和光潔。 （ b 高質(zhì)量）3. 下表面與支撐體相接觸，后處理去除支撐時(shí)會(huì)劃傷零件表面，降低表面精度。4. 彎曲變形溫度、內(nèi)應(yīng)力、去除支撐體5. 細(xì)微結(jié)構(gòu)的缺陷一些比較細(xì)小的部位，如尺寸較小的孔、槽，或是沒(méi)有被加工出來(lái)，或是邊緣不清晰，難以分辨。6. 工藝對(duì)金屬顯微組織

19、影響電子束選區(qū)熔化打?。‥BM成形鈦合金的TEM健射電鏡）觀察特征為在細(xì)針狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)馬氏體周圍圍繞著3相，在低倍鏡下觀察組織特征為沿堆積高度方向生長(zhǎng)的貫穿多層沉積層的粗大柱狀晶及分布于層間及堆積路徑間的明暗相間的帶狀條紋，而選域激光熔化打?。⊿LM成形鈦合金的TEM特征為晶界內(nèi)部是細(xì)小的針狀a '相。7. 熱處理對(duì)金屬組織形態(tài)的影響（合金在加熱和冷卻過(guò)程中會(huì)發(fā)生相變，通過(guò)合理的控制熱處理工藝參數(shù)，使其發(fā)生相變，從而獲得所希望的顯微組織，由此實(shí)現(xiàn)合金物理性能和化學(xué)性能的改善） 。研究發(fā)現(xiàn)對(duì)EBM成形的鈦合金經(jīng)拉伸后進(jìn)行熱處理，其斷面呈“梯度顯微組織” ，可見(jiàn)球化及板層狀顯微組織。選域激光

20、熔化打?。⊿LM成形的鈦合金熱處理后顯微組織呈雙向性，柱狀的a晶體在板層狀組織的邊緣，中間夾雜著a -3相。二、三維打印快速成型主要收到材料特性、噴射掃描、鋪粉過(guò)程等因素的影響由 材料特性 所導(dǎo)致的缺陷主要有：表面模糊、 翹曲變形、 尺寸變形等。 由 成型過(guò)程和工藝參數(shù) 所導(dǎo)致的缺陷有；階梯狀表面、 噴頭啟動(dòng)處缺陷等。 由 材料特性和成型過(guò)程共同導(dǎo)致的缺陷有：微細(xì)結(jié)構(gòu)缺陷、破碎、錯(cuò)層、夾雜等。1. 表面模糊成型材料是構(gòu)成制件表面模糊的主要原因，它包括粉末特性（包括粉末的成分和比例、粉末粒度、流動(dòng)性等）和粘接溶液的成分。2. 翹曲變形當(dāng)制件存在結(jié)構(gòu)突變， 或截面輪廓尖銳的地方等都有可能出現(xiàn)翹曲變形。 當(dāng)下一層粉末覆蓋在出現(xiàn)翹曲變形的層面上，鋪粉棍子的運(yùn)動(dòng)還會(huì)導(dǎo)致該層輪廓產(chǎn)生整體偏移，是缺陷擴(kuò)大，甚至使成型過(guò)程失敗。3. 尺寸變形內(nèi)應(yīng)力、熱膨脹4. 階梯狀表面缺陷，如上圖。5. 噴頭啟動(dòng)處缺陷噴頭在啟動(dòng)處缺陷主要是由