《增材制造》課件-05增材制造零部件的性能特征

增材制造技術

第五章增材制造零部件的性能特征增材制造材料不同加工工藝的工藝參數(shù)“樓梯效應”，物理后處理方法作用以及后處理時的要求增材制造零件的基本機械性能與提高零件強度的后處理方法增材制造零件常見缺陷類型本章重點本章重難點本章難點主要物理后處理方法作用以及后處理時的要求，與提高零件強度的后處理方法增材制造零件常見的缺陷類型與產(chǎn)生原因，如何改善12增材制造零件的微觀結構特性增材制造零件的機械性能增材制造材料的工藝參數(shù)3654增材制造零件的光學特性增材制造零件的常見缺陷增材制造零件的電學特性第五章增材制造零部件的性能特征

5.1增材制造材料的工藝參數(shù)

增材制造的工藝參數(shù)對其成型工藝有重要的影響，工藝參數(shù)對成型件的精度和強度有很大的影響。為了得到理想的部件，選擇合適的參數(shù)十分重要。本節(jié)將針對各種成型工藝的參數(shù)對成型件的影響進行探討。

激光加工的工藝參數(shù)主要有掃描速度、激光功率、激光燒結間距和光斑直徑、單層厚度等。5.1.1激光類加工工藝的工藝參數(shù)5.1增材制造材料的工藝參數(shù)（1）掃描速度

掃描速度越大，尺寸誤差向負誤差的方向減小，成型件強度減小。由于單位面積的能量密度減小，零件的尺寸精度和性能都受到相應的影響。5.1增材制造材料的工藝參數(shù)（2）激光功率①由于激光具有方向性，熱量沿激光方向傳播，當激光功率增大，在寬度方向上會將更多的粉末燒結在一起。因此，尺寸誤差沿正方向增大，厚度方向的尺寸誤差增大趨勢要比長寬方向大。②在激光功率增大時，燒結件強度也會隨著增大。當激光功率比較低時，粉末顆粒只是邊緣熔化而黏結在一起，顆粒之間存在大量間隙，使得強度不會很高；但是激光功率過大會加劇因熱收縮而導致的制件翹曲變形。5.1增材制造材料的工藝參數(shù)（3）激光燒結間距和光斑直徑①當燒結間距過大，燒結的能量在平面上的每一個燒結點的均勻性降低；光斑直徑過大時，激光光斑中間溫度高，邊緣溫度低，導致中間部分燒結密度高，邊緣燒結不牢固，使燒結制件的強度降低。（4）單層厚度②當燒結間距過小，制件的成型效率將會嚴重降低。①隨著單層厚度的增加，燒結制件的強度減小。需要熔化的粉末增加，向外傳遞的熱量減少，使得尺寸誤差向負方向減小。②單層層厚對成型效率有很大的影響，單層層厚越大，成型效率越高。

EBM的工藝參數(shù)主要有加速電壓、束電流、掃描速度、搭接率、掃描路徑。只重點介紹搭接率和掃描路徑。5.1.2電子束熔融（EBM）的工藝參數(shù)5.1增材制造材料的工藝參數(shù)（1）搭接率

搭接率是影響水平面粗糙度的主要因素，掃描線要想形成一個質量好的平面，相鄰兩道掃描線的合理搭接是必不可少的。一般來說，搭接率高的層面質量優(yōu)于搭接率低的層面質量。隨著搭接率的增加，能量密度增加，表面粗糙度值增大，表面質量下降。5.1增材制造材料的工藝參數(shù)（2）掃描路徑

掃描路徑是指零件每層內(nèi)部的填充方式。掃描路徑將影響層面質量。采用先掃描零件的長邊的方式，前幾條線形成的層面質量較好，但隨著掃描的進行，由于真空中散熱條件較差，熱量累積嚴重，因此導致熔池過熱沸騰，金屬小液滴飛濺而出，冷卻后形成小球落在未掃描的粉層上，從而影響了層面的表面質量。在電子束掃描過程中，如果先掃描短邊會使熱量的積累更加嚴重，層面的后半部分由于金屬小球的“污染”，因此質量更差。注：回旋掃描可以較好地解決小液滴的飛濺問題，由于相鄰的掃描線有較長的時間冷卻，從而不會導致熱量的累積，因此完全消除了金屬小球的飛濺現(xiàn)象，層面的質量明顯好于長邊掃描和短邊掃描。

熔融沉積技術的相關工藝參數(shù)有分層厚度、噴嘴直徑、噴嘴溫度、環(huán)境溫度、擠出溫度、擠出速度與填充速度、理想輪廓線的補償量及延遲時間等。5.1.3熔融沉積（FDM）的工藝參數(shù)5.1增材制造材料的工藝參數(shù)（1）分層厚度

是指將三維數(shù)據(jù)模型進行切片時層與層之間的高度。當分層厚度大時，原型表面會有明顯的“樓梯”，這會影響原型的表面質量和精度；分層厚度較小時，原型精度提高，但切片層數(shù)增多，加工時間較長。5.1增材制造材料的工藝參數(shù)（2）噴嘴直徑

影響噴絲的粗細。噴絲越細，原型的精度越高，但每層的加工路徑更密更長，成型時間較長。一般分層厚度要小于噴嘴直徑。（3）噴嘴溫度

是指系統(tǒng)工作時噴嘴要加熱到一定的溫度。在選擇噴嘴溫度時應當注意噴嘴溫度應該能使擠出的絲呈現(xiàn)彈性流體狀態(tài)。噴嘴溫度應當控制在230℃左右。（4）環(huán)境溫度

是指系統(tǒng)工作時打印件周圍的溫度。環(huán)境溫度會影響成型零件的熱應力的大小，影響成型件的表面質量。一般情況下，環(huán)境溫度比噴嘴溫度低1-2℃。5.1增材制造材料的工藝參數(shù)（5）擠出速度與填充速度

是指噴絲在送絲機構的作用下從噴嘴中擠出的速度。填充速度是指噴頭在運動機構的作用下按輪廓路徑和充填路徑運動時的速度。機器工作時，填充速度越快，成型時間越短，效率越高。為了保證出絲的連續(xù)與平穩(wěn)，擠出速度與填充速度應該進行合理的匹配。（6）理想輪廓線的補償量

由于噴絲具有一定的寬度，噴頭在填充輪廓路徑時實際輪廓線可能會超出理想輪廓線，因此，需要在生成路徑時對理想輪廓線進行補償。這個補償值就是理想輪廓線的補償量，一般取擠出絲寬度的一半。5.1增材制造材料的工藝參數(shù)（7）延遲時間

包括出絲延遲時間和斷絲延遲時間。出絲延遲時間是指當送絲機構開始送絲時，噴嘴不會立即出絲，而有一定的滯后，這段滯后時間即為出絲延遲時間。同樣的，斷絲滯后的時間稱為斷絲延遲時間。延遲時間需要根據(jù)工藝的不同合理設置，時間設置不當可能會出現(xiàn)拉絲太細，粘結不牢甚至斷絲，缺絲等現(xiàn)象，也可能會出現(xiàn)堆絲，積瘤等現(xiàn)象。

三維打印快速成型的基本工藝參數(shù)有噴頭到粉末層的距離、粉層厚度、噴射及掃描速度、輥子運動參數(shù)、每層間隔時間等。若制件精度及強度要求高，層厚取值就要小；而黏結液與粉末空隙的體積比取決于層厚、噴射量及掃描速度，會大大影響制件的性能和質量；同時需根據(jù)制件精度與質量、時間的要求及層厚等因素綜合考慮噴射與掃描速度。5.1.43DP的工藝參數(shù)5.1增材制造材料的工藝參數(shù)

纖維纏繞工藝的主要工藝參數(shù)有樹脂溫粘度、纏繞角、小車行走速率和固化制度等。其中，性能的主要工藝影響參數(shù)有：纖維張力大小、均勻性的控制、纏繞方式、環(huán)境溫度等。

纖維張力是復合材料纏繞工藝中參數(shù)控制的重要一環(huán)，體現(xiàn)在以下4個方面：5.1.5纖維纏繞的工藝參數(shù)5.1增材制造材料的工藝參數(shù)（1）單個纖維張力的大?。?）各纖維束間張力的均勻性（3）對含膠量的影響（4）纏繞方式的影響5.1增材制造材料的工藝參數(shù)（1）單個纖維張力的大小

張力過大，纖維塑性變形大、磨損大，導致制品強度下降。張力不夠充分，內(nèi)壓容器構件的預壓縮應力可能不足以與充壓相平衡，疲勞性能降低。（2）各纖維束間張力的均勻性

纖維束之間張緊程度不一樣時，承受載荷時各個纖維束不能同時承受力或是承受力大小不均勻，易導致纖維束斷裂。5.1增材制造材料的工藝參數(shù)（3）對含膠量的影響

由于纖維是層層纏繞的，取第N層為研究對象如圖5-1所示，隨著纏繞的進行，第N層纖維在所有外部纖維纏繞總成型壓力的作用下收縮，層間間隙增大纖維層發(fā)生松弛，影響內(nèi)部任意各層纖維環(huán)向應力，內(nèi)層樹脂基出現(xiàn)飽和泌出現(xiàn)象。圖5-1纏繞中纖維張力示意圖5.1增材制造材料的工藝參數(shù)（4）纏繞方式的影響纖維纏繞方式如圖5-2所示，分為環(huán)向纏繞、平面纏繞和螺旋纏繞三種。圖5-2纖維纏繞方式

纖維纏繞方式對復合材料內(nèi)壓管強度的影響顯著。環(huán)向纏繞角通常在85°~90°之間，環(huán)向纏繞加強的是制品的周向強度。軸向受拉力時多采用平面纏繞，其纏繞角小于25°。螺旋纏繞在首尾兩端提供經(jīng)緯兩個方向的強度，在芯模軸身段提供周向和軸向兩個方向強度，多用于復雜工作情況產(chǎn)品中。不同的復合材料最佳纏繞角也不同，合理的纏繞角還會節(jié)約材料。

影響鋪放成型質量的因素有鋪放溫度、鋪放壓力、鋪放速率。5.1.6纖維鋪放的工藝參數(shù)5.1增材制造材料的工藝參數(shù)（1）鋪放溫度指鋪放過程中預浸絲表面的溫度。鋪放溫度過高，樹脂粘度過低，樹脂流動性增強，使得樹脂在鋪放壓力的作用下橫向流動增加，從而使纖維排布狀態(tài)發(fā)生改變，可能導致纖維方向偏離設計方向，導致性能下降；而溫度過低將導致樹脂的粘度過大，影響預浸絲束的貼合狀態(tài)。5.1增材制造材料的工藝參數(shù)（2）鋪放壓力

即壓輥加載于預浸絲上的壓力，可以將單位寬度的預浸絲所受壓力載荷大小作為鋪放壓力。鋪放壓力選擇太小會導致樹脂面積變化率太小，樹脂擴散不充分，此時預浸絲與基底的粘結性不足、貼合狀態(tài)不佳；而選擇鋪放壓力過大會導致預浸絲橫向變形程度加大。（3）鋪放速率

直接決定載荷作用時間，鋪放速率過大將導致載荷作用時間過短，樹脂擴散不充分，預浸絲與模具表面或者預浸絲相互之間無法緊密貼合，影響鋪放質量；與此同時，若要選擇較高的速率必須考慮機械設備限制。但鋪放速率除了影響鋪放質量之外，更重要的是它直接決定了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，鋪放速率越大，產(chǎn)品的生產(chǎn)周期越短，鋪放的生產(chǎn)效率越高。因此，在保證鋪放質量的基礎上，考慮到設備限制的前提下，應盡量選擇大的鋪放速率。12增材制造零件的微觀結構特性增材制造零件的機械性能增材制造材料的工藝參數(shù)3654增材制造零件的光學特性增材制造零件的常見缺陷增材制造零件的電學特性第五章增材制造零部件的性能特征

AM制件的微觀結構通?？梢苑譃閮深悾褐鶢钗⒂^結構以及蜂窩細胞晶枝狀態(tài)結構。5.2.1零件的微觀結構5.2增材制造零件的微觀結構特性（1）柱狀微觀結構

盡管柱狀結構中最常用的材料是Ti6Al4V，但是對于其他材料（例如Inconel718，Ta和W）也有柱狀結構。5.2增材制造零件的微觀結構特性

Ti6Al4V的凝固范圍小于-263℃，合金元素的分配和相關的成分過冷卻過程受到限制，這導致垂直β晶粒（針狀馬氏體的典型柱狀結構）生長跨越許多層，它在SLM淬火期間轉變?yōu)椤榜R氏體”，并且在EBM中轉變?yōu)閷訝瞀?β晶粒。在DED中，微結構在SLM和EBM之間變化，并顯示部分底部和頂部之間的梯度。圖5-3a示出了在SLM之后獲得β晶粒（針狀馬氏體的典型柱狀結構）。在沒有β晶粒到α晶粒轉化的情況下，Ti6Al4V將顯示出如Ta的極端紋理，但β晶粒變換成12個晶體變體會形成較弱的紋理。

圖5-3SLM中微觀結構圖（a）（b）5.2增材制造零件的微觀結構特性（2）蜂窩細胞結構

大多數(shù)材料在蜂窩細胞晶枝狀態(tài)下固化。蜂窩細胞結構是在金屬AM制造期間的高冷卻速率下產(chǎn)生的，其在SLM中可達到-263℃/s。因此，SLM成型件的微觀結構細小，合金元素飽和，呈現(xiàn)出紊亂和亞穩(wěn)定的特點。在EBM工藝中，高預熱溫度提供了應力消除和原位退火，這造成微觀結構比較粗糙。精細的微觀結構會產(chǎn)生與鍛造或鑄造材料相當?shù)膹姸龋袝r甚至接近常規(guī)材料在時效硬化條件下的強度（例如AlSi10Mg）。但它們的延展性通常較低。對于Ti6Al4V更是如此，因此，大多的研究工作都集中在提高其延展性上，通常是通過后處理、熱處理或改變工藝參數(shù)等方式來提高延展性，此外熱等靜壓（HIP）也能改善疲勞強度。5.2增材制造零件的微觀結構特性（3）紋理的變化條件

紋理的變化可通過改變增長條件來實現(xiàn)，例如改變層與層之間掃描圖案的旋轉方式。研究人員通過改變掃描速度和激光功率，使平面上蜂窩狀結晶和混合凝固模式之間產(chǎn)生變化，形成了圖5-4所示的結構，這種結構肉眼是不可見的，一般可通過晶體取向的電子反向散射衍射（EBSD）成像得到。如圖5-5所示為通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)對局部紋理的控制圖。圖5-4普通SLM生產(chǎn)時材料的細胞微觀結構側視圖圖5-5通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)對局部紋理的控制圖

基于離散堆積成型的增材制造制件，其表面上會顯現(xiàn)每一分層之間產(chǎn)生的如臺階一般的階梯，稱之為“樓梯效應”，這種現(xiàn)象在曲面上顯現(xiàn)得更加明顯。“樓梯效應”是由于在打印曲面形狀的過程中，每一分層有一定厚度，相鄰層的形狀輪廓存在變化，呈現(xiàn)出來即為表面的樓梯，如圖5-6所示。5.2.2零件的外貌5.2增材制造零件的微觀結構特性圖5-6FDM方法打印的藝術品表面樓梯

“樓梯效應”的明顯程度與成型方法和成型參數(shù)有關，對FDM而言，具體與噴嘴直徑、分層厚度及成型角度有關。5.2增材制造零件的微觀結構特性激光打印零件

激光打印的零件，如果激光功率不足，燒結的粉末顆粒融化不完全，成型件中會存在大量的間隙；如果激光功率過大，則會因為熔固收縮導致制件翹曲變形。一般來說，SLS（激光選區(qū)燒結）的成型件表面光潔度較低，因此需要進行后處理來提高制件的表面質量。SLM（激光選區(qū)熔融）過程中經(jīng)常發(fā)生飛濺、球化、熱變形等現(xiàn)象。一些飛濺的顆粒夾雜在熔池中，使成型件表面粗糙，而且一般飛濺顆粒較大；在鋪粉過程中，飛濺顆粒直徑大于鋪粉厚度也會導致鋪粉裝置與成型表面碰撞而產(chǎn)生破壞。5.2增材制造零件的微觀結構特性EBM電子束打印零件

EBM電子束掃描的過程中會產(chǎn)生兩種飛濺：第一種飛濺是由熱量累積造成的熔池過熱沸騰所產(chǎn)生的金屬小液滴的飛濺，會使制件層面質量變得很差；第二種飛濺是由于金屬粉末沒有熔融而被電子束直接沖開，沒有參與成型，從而使成型的效率很低，甚至使成型無法進行下去。此外，在電子束熔融過程中也會有球化現(xiàn)象，從而降低零件的表面質量。5.2增材制造零件的微觀結構特性

需要特別注意的是，Al和Al合金的粉末顆粒在表面具有穩(wěn)定的Al2O3層，它會阻礙顆粒燒結或熔融聚結，這對電子束熔化（EBM）具有負面影響。為了避免由電子束引起的負電荷使粉末顆粒排斥，進而導致顆粒從粉末床噴出，粉末床需要預燒結以使粉末顆粒在熔化之前就黏結在一起。材料在與氧反應時會大量放熱（如Mg），如果不在無氧環(huán)境，AM過程會非常危險。同時含氧量對力學性能也有較大的影響，如Ti6Al4V中較高的氧含量增加了強度，但降低了延展性。因此，在AM過程中，必須注意盡量減少氧氣、氮氣或水分，因為它們會降低力學性能和粉末的可回收性。如圖5-7所示為Ti6Al4V的LMD微觀結構。圖5-7Ti6Al4V的LMD微觀結構5.2增材制造零件的微觀結構特性3DP打印零件

3DP成型件的表面質量受粉末材料特性的約束。此外，噴頭到粉層的距離也會影響成型件的表面精度，噴射液滴越容易產(chǎn)生濺射，零件的表面越粗糙。3D打印件打印完畢后，其表面需進行細致的處理。主要的物理后處理方法①表面打磨、拋光，是為了消除“樓梯效應”；②去支撐處理，可以使打印件和支撐結構分離；③滲蠟處理，是為了增加打印件的強度。5.2增材制造零件的微觀結構特性（1）順序要求

3D打印件直接后處理包括了打磨、拋光、去支撐、后固化、延壽、著色等處理工藝，前三種屬于物理方法直接后處理，后處理需要按照一定的要求進行。

后處理工藝需按一定順序進行，以防止互相干擾和影響。后處理工藝的先后順序一般為：去支撐、后固化、打磨、蒸發(fā)、拋光、延壽、著色。如果在進行延壽處理后再進行打磨處理，毫無疑問會損壞打印件表面的防護層。（2）工藝要求

相同的3D打印工藝，其打印件的特點不相同，需要進行的后處理也不同；打印材料不同，使用的后處理方法也不同。所以需要根據(jù)打印件的材料種類和特點，選擇需要的后處理工藝和合適的工藝參數(shù)。5.2增材制造零件的微觀結構特性（3）精度要求

總的來說，所有的后處理工藝對打印件的精度都有影響。在實際操作中，合理的后處理需要根據(jù)打印件的精度要求而定，如果選擇后處理的方式不合適，會造成打印件的精度不符合要求，導致打印件需進行額外的處理甚至使其報廢。（4）保護要求

對3D打印件進行后處理時，要防止對打印件造成損傷或者使其性能下降。有些處理工藝可能會降低打印件的使用壽命，如使用著色劑對金屬打印件著色，易導致銹蝕。常見的打印件的主要的后處理有除粉、表面打磨、浸液體材料、表面涂料等。零件去粉完畢若還需要長久保存，就需要增加保護措施。5.2增材制造零件的微觀結構特性

保護措施

一般會在零件外表面刷一層防水固化膠增加強度，防止因吸水而使強度減弱；或者將零件浸入一些聚合物中，他們能起到保護零件的作用，這些聚合物有環(huán)氧樹脂、氰基丙烯酸酯、熔融石蠟等。處理后的零件應兼具防水、堅固、美觀、不易變形等特點。有些打印方法還需去除支撐，如FDM方法的后處理除了打磨樓梯，還有去除支撐結構、涂表面保護材料等。12增材制造零件的微觀結構特性增材制造零件的機械性能增材制造材料的工藝參數(shù)3654增材制造零件的光學特性增材制造零件的常見缺陷增材制造零件的電學特性第五章增材制造零部件的性能特征

孔隙率指散粒狀材料表現(xiàn)體積中材料內(nèi)部的孔隙占總體積的比例?？紫兜闹饕饔檬墙档蛻?，防止制件發(fā)生快速斷裂。圖5-8顯示了激光燒結聚酰胺樣品的重疊應力—應變曲線，其變化的工程孔隙率范圍在0-40％之間。延展性和強度隨著孔隙率的降低而增加。對于高孔隙率樣品，斷裂應力低于屈服強度，應變測量的伸長率也隨之較低。隨著孔隙率的降低，強度顯著增加，接近屈服強度。然而，由于應力-應變曲線的彈性部分的陡坡，斷裂應變?nèi)匀缓艿?，小?0％。對于10-15％范圍內(nèi)的殘余孔隙率，斷裂應力低于屈服強度并低于拉伸強度，導致可測量塑性在10-30％之間?？紫堵实陀诩s5％時，零件恢復50-60％的全延展性?？紫稌偈沽鸭y擴展，從而使機械性能降低，因此制造高密度部件通常是AM工藝優(yōu)化的首要目標。5.3.1AM制件殘余孔隙率的影響5.3增材制造零件的機械性能圖5-8具有不同量的工程化孔隙率的激光燒結聚酰胺的重疊拉伸試驗結果

后處理可用于緩解或消除AM制件中的缺陷結構。關鍵金屬部件的常用方法是熱靜壓法（HIP）。HIP不能完全有效消除所有層間缺陷。例如，氧化物層可能不受HIP的影響，但是，HIP可有效降低孔隙率。5.3增材制造零件的機械性能

思考：零件后處理有哪些要求

通常，靜態(tài)強度取決于部件的密度以及在制造過程中形成的微觀結構。與通過傳統(tǒng)路線（例如鑄造）制造的部件相比，AM制造部件的微觀結構更精細，因此，一般來說，AM部件的靜態(tài)強度較好。增材制造的金屬中屈服強度和極限拉伸強度通常等于或大于其鑄造、鍛造或退火對應的強度，這是由于AM加工期間熔池的快速凝固，形成微細結構特征，如細晶?；蛎芗g隔的晶枝。典型霍爾-石料粒度強化描述了材料的屈服強度與平均粒徑之間的關系：隨著晶粒尺寸的減小或微結構特征的錯位運動，材料的屈服強度增加。AM制成的金屬中的微觀結構特征會阻礙錯位運動，將會形成比常規(guī)加工和退火更高的屈服強度。5.3.2靜態(tài)強度5.3增材制造零件的機械性能

通常，增材制造的材料的屈服強度和極限拉伸強度無明顯的各向異性。但是，當在凝固期間發(fā)生晶粒的外延生長時，細長晶?？梢栽跇嫿ǚ较蛏仙L，使微結構呈現(xiàn)出紋理特征，或者表現(xiàn)出較好的晶體取向。Ti6Al4V可以進行熱處理使微觀組織均勻化，或者使晶粒再結晶和粗化，但同時也會導致產(chǎn)量和極限拉伸強度的降低，如圖5-9所示。另外，如果強度受到明顯的孔隙或融合缺陷的影響，HIP可用于消除和“愈合”樣品中的內(nèi)部孔隙和缺陷，增加延性。

5.3增材制造零件的機械性能圖5-9Ti6Al4V各工藝中極限拉伸強度與延展性實驗數(shù)據(jù)

熱處理通常會降低強度，增加延展性。在AM加工過程中，聚合物材料的強度可能會受到結構缺陷或層間粘附以及分子結合不足等影響，因此平行于連續(xù)激光路徑或細絲沉積路徑的部分具有較高強度，而垂直于連續(xù)激光路徑或細絲沉積路徑的部分強度較低。

材料的彈性模量或剛度隨孔隙度的減小而減小。此外，實驗研究表明在AM中，陶瓷材料能夠制造幾乎沒有空隙或裂紋的制件。5.3.3剛度5.3增材制造零件的機械性能圖5-10多孔材料的彈性模量

此外，對鑄鋼的研究描述了彈性模量與孔的形狀和尺寸之間的關系，鑄鋼的彈性模量公式為：（5.1）

其中n是經(jīng)驗指數(shù)，p0表示在代表性體積元素中允許存在均勻孔隙率的最大值，同時也是產(chǎn)生零剛度的截斷值。n和p0都取決于微結構孔的尺寸和形狀。如圖5-10所示，多孔材料的彈性模量與孔體積分數(shù)呈線性關系。

AM制造零件的微觀結構在制造方向（建造方向與正交于建造方向）方面是各向異性的，并且通常顯示出或多或少明顯的紋理。因此，其拉伸性能（UTS，EL）也是各向異性的。5.3.4拉伸性能5.3增材制造零件的機械性能5.3增材制造零件的機械性能（1）AM制件延展性所受限制

AM制件的延展性在很大程度上受到內(nèi)部缺陷的限制，如孔隙率或金屬融合缺陷。圖5-11Ti6Al4V拉伸樣品的斷裂表面內(nèi)部

如右圖5-11所示是由PBF制成并在（a）縱向和（b）橫向（構造）方向上進行測試的Ti6Al4V拉伸樣品的斷裂表面，其暴露的缺陷是因聚合物中的層間粘合不足以及陶瓷燒結過程中形成的裂紋造成的。（a）縱向（b）橫向

沉積部件的內(nèi)部缺陷和表面粗糙度造成了不連續(xù)的表面，這使得部件容易產(chǎn)生應力集中。應力集中降低了材料可承受的最大外應力。在金屬材料的加工過程中，熔合不足容易形成長的尖銳孔，這些孔導致局部應力集中。此外，快速凝固而形成的微細結構特征會提升制件強度，但是由于錯位運動受限使得制件延展性降低。5.3增材制造零件的機械性能5.3增材制造零件的機械性能AM中細長的各向異性晶粒，會影響垂直于構建方向的延展性。

例如，由DED制成的Ti6Al4V中的α相晶界疊加先前的β相晶界，將會使制件在縱向施加張力時形成分離晶粒的裂紋，降低零件的延展性，但是，橫向方向的張力不受晶界相位的負面影響，如圖5-12所示。圖5-12由DEDAM制造的Ti6Al4V的光學圖像5.3增材制造零件的機械性能

在聚合材料中，層與層之間的分子結合不充分和層間孔隙會造成制件負載區(qū)間的分層。在燒結金屬的工藝中，通常可以用孔隙率來描述斷裂伸長率，如圖5-13所示。

大部分可用鋼種的拉伸性能符合AM制造技術應用的標準。見書表5-1列出了從文獻資料中選擇不同AM技術的鋼種的屈服強度（YS）和極限抗拉強度（UTS）以及斷裂伸長率（EL），將其與鍛造材料的參考性能進行比較。圖5-13激光燒結聚酰胺12的伸長率與相對孔隙率5.3增材制造零件的機械性能（2）AM制造的鋁合金的拉伸性能

鋁合金的拉伸性能與屈服性能類似。由AM方法產(chǎn)生的細晶粒結構有益于增加制件強度。見書表5-2列出了幾種鋁合金的拉伸性能。

熔融物在AM中的快速凝固造成殘余應力累積，這主要是由熔池固化收縮以及在冷卻期間額外的熱收縮引起。兩者都會造成AM制件中的殘余應力顯著增加。除了導致部件翹曲之外，這些殘余應力也可以導致部件的裂紋形成和生長。與靜態(tài)機械性能相同，金屬材料的疲勞強度主要取決于其微觀結構。但是，表面粗糙度和材料缺陷等加工工藝的固有特性會極大影響AM制件的疲勞性能。分層制造工藝通常造成表面粗糙度增加，機械表面處理（例如拋光）可以改善疲勞性能；但是由于材料缺陷，疲勞性能的評估相當困難，比如孔隙率和層粘結不足會導致實驗數(shù)據(jù)的離散點增加，難以比較。通過熱等靜壓處理這些缺陷，使材料致密化，可以改善疲勞性能從而獲得與鑄造和鍛造材料相當?shù)男阅堋?.3.5疲勞強度5.3增材制造零件的機械性能

研究表明，沖擊韌性受材料特性的影響，不同材料的AM制件表現(xiàn)出不同的沖擊韌性，5.3.6沖擊韌性5.3增材制造零件的機械性能

比如AlSiMg中的沖擊韌性是各向同性的，縱向和橫向的均值為0.04J/mm2，這是因為該材料中具有相對等軸晶粒的特征。然而，Al6061中的沖擊能量是各向異性的，水平方向的沖擊能量為0.015J/mm2（沿著構造方向斷裂），垂直方向上為0.07J/mm2（沿層方向斷裂）。由于沿著構建方向的柱狀晶粒生長，其沿著構建方向產(chǎn)生裂紋路徑，導致在該方向沖擊能量顯著降低。

如左圖5-14所示，來自兩個方向的AlSi10Mg中類似的斷裂面證實了斷裂機制或路徑?jīng)]有變化，而Al6061的斷裂面在方向之間顯示出明顯的差異。由PBF工藝制成的鋁合金樣品的斷裂表面，顯示AlSi10Mg中缺乏方向依賴性斷裂表面，而Al6061中的斷裂表面形成強烈的方向依賴性。圖5-14由PBF工藝制成的鋁合金樣品的斷裂表面

①物理氣相沉積；

②電鍍技術；

③化學熱處理；

④加熱固化；

⑤延壽處理。

5.3.7提高零件強度的后處理方法5.3增材制造零件的機械性能提高零件強度的后處理方法有以下五種5.3增材制造零件的機械性能（1）物理氣相沉積

物理氣相沉積（physicalvapourdeposition，PVD）是依靠物理方法，利用真空蒸發(fā)、氣相反應在工件表面沉積成膜的過程，是一種環(huán)保型的、有別于傳統(tǒng)成膜方法的現(xiàn)代表面處理技術。PVD又分為真空蒸鍍、濺射鍍和離子鍍。濺射鍍和離子鍍可以獲得附著性能、致密度優(yōu)異的沉積膜，但是，濺射鍍和離子鍍工藝本身對沉積膜純凈性容易產(chǎn)生不良的影響，因此，濺射鍍和離子鍍方法不適于純凈性要求極高的膜層的制備。真空蒸鍍的密度和附著性能較差，但真空蒸鍍可以在氣壓很低的高真空中進行，并得到純凈性極高的蒸鍍膜層。5.3增材制造零件的機械性能（2）電鍍技術

電鍍是指將工件置于含有被沉積的金屬離子的電解液中，通過外加的直流電，使工件表面覆蓋上一層薄的金屬鍍層，從而達到防蝕、裝飾、導電、耐磨或導磁、易焊等目的的方法。電鍍是一種用電解方法沉積所需鍍層的一種電化學過程，也是一種氧化還原過程。電鍍的適用范圍很廣，一般不受工件大小和批量的限制，鍍層厚度一般在0.001～1mm。鍍層一般分為防護性鍍層、功能性鍍層和裝飾性鍍層：防護性鍍層用來防止金屬零件的腐蝕，如鍍鎘、鋅、錫等；功能性鍍層一般都有特殊的物理性能要求，如抗高溫鍍層和耐磨性鍍層；裝飾性鍍層主要是通過電鍍使金屬制品表面轉化為金屬的合金或化合物來改變顏色。5.3增材制造零件的機械性能（3）化學熱處理

化學熱處理是在一定的溫度下，在不同的活性介質中，向金屬的表面滲入適當?shù)脑兀瑫r向金屬內(nèi)部擴散以獲得預期的組織和性能為目的的熱處理過程，如滲碳、氮化、碳氮共滲、滲硼、滲硫、滲鉻、滲鋁等。（4）加熱固化

加熱固化是通過加熱，使打印件分子間進一步固化，結構進一步穩(wěn)定，從而增加打印強度。該方法多用于SLA打印件。（5）延壽處理

延壽處理技術可以分成三大類：一類是以消除應力為主的工藝方法，一類是以表面修形為主的方法，還有一類即是表面涂層等改性技術。AM工藝中，表面改性技術是主要的延壽方法。5.3增材制造零件的機械性能打印件延壽后處理的具體方法

AM制件的延壽處理主要是對高分子材料、金屬材料、陶瓷材料及其復合材料制成的AM制件進行處理。接下來將分別說明AM制件的延壽處理方法。

a)高分子材料：高分子材料的AM制件的延壽處理通常采用化學處理中的滲樹脂、滲蠟等技術，極少使用PVD中的真空蒸鍍處理。b)金屬及合金：金屬材料及合金材料的AM制件表面要求較多，使用得較多的延壽處理方法是電鍍技術，同時PVD和化學熱處理也可用于金屬制件的延壽處理。c)陶瓷：以陶瓷為材料的AM制件，通常使用PVD進行延壽處理。d)復合材料：復合材料制成的AM制件，按其具體成分，使用的處理工藝有所不同，大部分通過PVD、電鍍進行延壽處理，但也可使用化學熱處理方法。12增材制造零件的微觀結構特性增材制造零件的機械性能增材制造材料的工藝參數(shù)3654增材制造零件的光學特性增材制造零件的常見缺陷增材制造零件的電學特性第五章增材制造零部件的性能特征AM制件在光學性質上的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在透明度上。其中：①噴射成型工藝可采用具有透明性的還原聚合材料。②快速冷凍成型工藝可以在冰中生產(chǎn)透明部件。③DED工藝通過使用燈絲側饋機構用激光光源制造透明石英部件。而其它AM工藝，如噴墨打印、激光燒結和熔融沉積制造，存在的問題是由于內(nèi)部進行的表面反射而阻礙透明度。5.4增材制造零件的光學特性

東京大學率先探索使用折射率匹配滲透劑來生產(chǎn)透明激光燒結部件，將聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）粉末與麥芽糖糊精粘合劑混合，然后用熱固化丙烯酸滲透制備透明噴墨打印部件，如圖5-15所示，左圖為折射率n=1.588的聚苯乙烯激光燒結成型件；右圖為滲透后的折射率n=1.582的匹配紫外線固化環(huán)氧樹脂成型件，可以看出經(jīng)過滲透處理后的成型件的透明度顯著提高。5.4增材制造零件的光學特性科學前沿：圖5-15

纖維纏繞方式

使用還原聚合物制成的光學半透明部件已經(jīng)用于生物醫(yī)學領域，生產(chǎn)用于骨內(nèi)生長的3D生物降解支架和用于顱骨成型術的生物模型。12增材制造零件的微觀結構特性增材制造零件的機械性能增材制造材料的工藝參數(shù)3654增材制造零件的光學特性增材制造零件的常見缺陷增材制造零件的電學特性第五章增材制造零部件的性能特征5.5增材制造零件的電學特性

制造工藝會影響材料的最終微觀結構進而影響材料的電學特性。微觀結構對電學性能的影響與導電物質（通常為電子）的遷移率有關。對于AM聚合物，其電學性能通常是指保持原材料電絕緣特性以及使用添加劑來增加材料電導率。通常，通過添加導電介質（如碳）來實現(xiàn)AM聚合物電導率的改進。舉例：

向聚酰胺12中加入4％納米尺寸的碳黑將電導率從4×10-10S/cm增加到10-4S/cm。當在聚酰胺11中混合5％碳多層納米管時，與聚酰胺12類似，由于改變聚合物內(nèi)納米管的混合和分布，其導電性從10-11S/cm提高到10-4S/cm。5.5增材制造零件的電學特性實際應用：

增材制造已經(jīng)應用于放電加工（EDM）的金屬和塑料制成的電極。激光熔化用來生產(chǎn)具有25％孔隙率和1.938S/cm電導率的TiB2-CuNi復合材料。激光熔化工藝將63Mo-37（90Cu-10Ni）預混粉末用來生產(chǎn)EDM電極，試驗結果表明，Mo復合材料節(jié)省了相對于實心銅電極材料的一半。12增材制造零件的微觀結構特性增材制造零件的機械性能增材制造材料的工藝參數(shù)3654增材制造零件的光學特性增材制造零件的常見缺陷增材制造零件的電學特性第五章增材制造零部件的性能特征①球化現(xiàn)象；②裂紋；③失真和分層；④表面光潔度差；⑤化學降解和氧化。5.6.1常見的缺陷類型5.6增材制造零件的常見缺陷5.6增材制造零件的常見缺陷（1）球化現(xiàn)象球化現(xiàn)象，是導致孔隙度、微裂紋或表面光潔度差等物理缺陷現(xiàn)象的原因之一。原因：當液體材料由于表面張力不能潤濕下面的基底時，加工條件的不穩(wěn)定使液體球化，這將導致在加工過程中粗糙的珠狀掃描軌跡（例如在粉末激光熔合過程中），進而增加制件的表粗糙度和內(nèi)部孔隙率。5.6增材制造零件的常見缺陷

如圖5-16所示，顯示的是粉末床的頂面，以指定的200mm/s激光功率進行單次垂直激光掃描，可以明顯地看到粉末球化現(xiàn)象。同時，由于污染也會降低潤濕程度，因此及時清理非常重要，要盡量減少加工過程中的氧化膜和污染物，多孔性是AM制件中的常見缺陷。圖5-16316L不銹鋼SLM低激光功率下的球化現(xiàn)象5.6增材制造零件的常見缺陷（2）裂紋

由于多種原因，裂紋是AM成型工藝中常出現(xiàn)的嚴重問題?；诩す獾腁M金屬工藝（激光燒結，SLM等）引入大量的熱量，熔池的快速收縮或固體材料中的高溫梯度，在AM材料中形成的裂紋如圖5-18所示，圖5-18（a）是HastelloyC276金屬超合金SLM中產(chǎn)生的裂紋，圖5-18（b）是未經(jīng)預熱的SLS/SLM制成的氧化鋁陶瓷件，圖5-18（c）是乙烷醇氧化物懸浮液滲透氧化鋁間接SLS產(chǎn)生的裂縫。顯然，耐熱沖擊性較差的材料（陶瓷或脆性金屬）更容易產(chǎn)生裂紋。此外，粘合劑材料造成的偏析和干燥收縮也可能引起裂紋。圖5-18AM材料中形成的裂紋5.6增材制造零件的常見缺陷

如圖5-17所示，孔隙率可以表現(xiàn)為不規(guī)則的孔隙，圖5-17（a）是Ti6Al4V熔化不充分產(chǎn)生的孔隙，圖5-17（b）是AlSi10Mg中有氣體產(chǎn)生的孔隙，圖5-17（c）在聚合物彈性體中缺乏熔合和蒸發(fā)而產(chǎn)生的空氣。因此若在熔融邊界處有孔隙，這是由于收縮，熔化不充分，或材料進料不足造成；若是在熔融區(qū)域內(nèi)有球形孔隙，通常是由被困氣體、熔融區(qū)域中的湍流、材料蒸發(fā)等造成。圖5-17多孔性現(xiàn)象5.6增材制造零件的常見缺陷（3）失真和分層扭曲、翹曲、偏轉是材料加工缺陷。原因:它是材料體積變化（例如光固化中聚合收縮或FDM中擠出的加熱塑料細絲的收縮）或部件內(nèi)的較大的熱梯度引起的應力所致的缺陷。在極端情況下，偏轉可能會導致分層，這取決于材料特性、加工參數(shù)和加工方法。圖5-19SLM部件的變形和分層由SLM部件的變形和分層的示例如上圖5-19所示，（a）為鋼基SLM材料變形的實驗和模擬量；（b）為沿惰性氣體流動循環(huán)（刺激較大的熱梯度）制成的不銹鋼SLM部件中的分層。5.6增材制造零件的常見缺陷（4）表面光潔度差

表面光潔度差是AM制件的另一個問題，由許多復雜因素造成；例如與層厚度和制件的“樓梯效應”，粗沉積珠（例如FDM中的粗絲或巧克力打印機中的大型擠壓巧克力珠），工具精度（例如，大電子束熱EBM中的受影響的電場），表面張力和半熔融粉末（例如附著到SLM中下表面的粉末和支撐材料）等有