關(guān)于金屬D打印你需要注意的七件事

1、關(guān)于金屬3D打印你需要注意的七件事對(duì)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(xiàn)。公司管理層們看到3D打印如何拯救世界、如何將幾百個(gè)零件的裝配體減少至一個(gè)、如何 加工表面蒙皮的超輕點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)零件等報(bào)道，工程師們迫于壓力仔細(xì)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(jié)果。金屬3D打印最常見(jiàn)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(diǎn)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(jī)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(jié)劑噴射法

2、也 可以用來(lái)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(jié)劑沉積在金屬粉末床上。打印完成后，后者對(duì)物件進(jìn)行熱處理、爐內(nèi)燒結(jié)。皿，Wil昌？不只南II附IB海嘏工苒示型因在金屬3D打印過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)大量設(shè)備操作者試圖避免的問(wèn)題，包括 孔隙、殘余應(yīng)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(dòng)機(jī)燃燒室前，它已經(jīng)經(jīng)歷了大量類似CNCm工、噴丸或噴砂后處理工藝，因?yàn)?3D打印出來(lái)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(jī)加工前后受工藝本性的影響，直接能量沉積法生產(chǎn)的是接近最終形狀的零件，它必須進(jìn)行C

3、N加理以滿足相應(yīng)規(guī)格要求。粉末床熔融方式生產(chǎn)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(xì)的粉末、更小的層厚。但這種方式會(huì)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(chǎn)的零件都需要進(jìn)行后處理以達(dá)到相應(yīng)規(guī)格，有時(shí)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(jí)的后處理操作。這也意味著相對(duì)于金屬 3D打印可能出現(xiàn)的其他問(wèn)題，表面 光潔度沒(méi)那么重要?？紫读慵?D打印過(guò)程中，內(nèi)部非常小的孔穴會(huì)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(huì)降低零件的整體密度，導(dǎo)致裂紋和疲勞問(wèn)題的出現(xiàn)。500pm圖4

4、光學(xué)髭微旗下產(chǎn)品內(nèi)部孔隙光學(xué)顯微鏡結(jié)果比較了工藝引起的熔融不完全孔隙和粉末原料帶來(lái)的孔隙， 該結(jié)果來(lái)自一項(xiàng)名為 “ The Metallurgy and Processing Science of Metal Additive Manufacturing ” 的研究。在霧化制粉過(guò)程中，氣泡可能在粉末的內(nèi)部形成，它將轉(zhuǎn)移到最終的零件中 由于這個(gè)原因，有必要從優(yōu)秀供應(yīng)商手中采購(gòu)材料。更常見(jiàn)的是，3D打印過(guò)程本身會(huì)產(chǎn)生小孔。比如當(dāng)激光功率過(guò)低，會(huì)導(dǎo)致金屬粉末沒(méi)有充分熔融。當(dāng)功率過(guò)高，會(huì)出現(xiàn)金屬飛濺的現(xiàn)象，融化的金屬飛出 熔池進(jìn)入到周圍區(qū)域。當(dāng)粉末的尺寸大于層厚，或者激光搭接過(guò)于稀疏，將會(huì)出現(xiàn)小孔。熔

5、化的金 屬?zèng)]有完全流到相應(yīng)的區(qū)域也會(huì)造成小孔出現(xiàn)。為了解決這些問(wèn)題，大部分設(shè)備操作者需要針對(duì)特定的材料和任務(wù)來(lái)調(diào)試設(shè)備。 對(duì)特定的材料和任務(wù)，設(shè)備參數(shù)（如激光功率、光斑尺寸、光斑形狀）需要調(diào)整 來(lái)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(guò)調(diào)整光斑形狀來(lái)減少粉末飛濺， 大家熟知的“脈沖整形” 可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域逐漸融化。對(duì)于EBMT藝，電流會(huì)導(dǎo)致粉末顆粒從粉末床飛濺， 它 可以通過(guò)電子束快速掃描預(yù)熱粉末床來(lái)改善。Forecast 3D金屬3D打印實(shí)驗(yàn)室的經(jīng)理Jim Gaffney給出了以下

6、減少孔隙 的建議：”對(duì)于SLM工藝，高品質(zhì)金屬粉末、合適的加工參數(shù)、合理的環(huán)境控制 能保證產(chǎn)品致密度達(dá)到99%Z上，最終零件可以通過(guò)熱等靜壓去除殘余的孔隙?！?也可以通過(guò)滲入其他材料法方式來(lái)減少孔隙，如滲銅。但添加輔助材料會(huì)改變零件的化學(xué)成分，可能會(huì)破壞零件原始設(shè)計(jì)應(yīng)用場(chǎng)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(xiàn)疲勞或者裂紋。對(duì)于關(guān)鍵性應(yīng)用，零件的致密度需要達(dá)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(huì)提高粉末的流動(dòng)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(xì)粉末填充于粗粉末的間隙，

7、導(dǎo)致更高致密度。但是，寬粉末粒徑分布會(huì)降低粉末的流動(dòng)性。良好的粉末流動(dòng)性對(duì)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(huì)影響到產(chǎn)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?？▋?nèi)基梅隆大學(xué)的機(jī)械工程學(xué)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(shù)設(shè)置與零件孔隙量、致 密度的關(guān)系?！傲慵旅芏茸畲蠡?孔隙量最少)非常重要，因?yàn)橹圃斐鰜?lái)的零件在實(shí)際 應(yīng)用中會(huì)經(jīng)歷循環(huán)載荷”，Beuth解釋道：“在我們CMUF展的研究中，通過(guò)控 制3D打印工藝參數(shù)，不同來(lái)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(méi)有哪一種工藝參數(shù)比其他所有工藝好很多，但對(duì)每次加工，總會(huì)有最優(yōu)的加工參數(shù)組合?！睔堄鄳?yīng)力在金屬3D打印中，殘余應(yīng)力由冷熱變化、膨脹收縮過(guò)程引起。當(dāng)殘余應(yīng)力 超過(guò)材料或者基板的拉伸強(qiáng)度，將有缺陷產(chǎn)生，如零件有裂紋或者基板翹曲。5殘余應(yīng)力導(dǎo)致3D打印鈦合金件從平臺(tái)脫離殘余應(yīng)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(yīng)力，邊 緣處有較大拉應(yīng)力?？梢酝ㄟ^(guò)添加支撐結(jié)構(gòu)來(lái)降低殘余應(yīng)力，因?yàn)樗鼈儽葐为?dú)的基板溫度更高。 一旦零件從基板上取下來(lái)，殘余應(yīng)力會(huì)被釋放，但這個(gè)過(guò)程中零件可能會(huì)變形。勞倫斯利福摩爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室科研人員提出了一種降低殘余應(yīng)力的方法，為了控制溫度起伏，可采取減小

9、掃描矢量長(zhǎng)度的方式代替連續(xù)激光掃描。根據(jù)零件最 大截面旋轉(zhuǎn)掃描矢量的方位也許能起作用。另外一種降低殘余應(yīng)力的方式是，打印前先對(duì)基板和材料進(jìn)行加熱處理。由于操作溫度更低，預(yù)加熱在EBMtt藝中比SLM或DEDL藝更常見(jiàn)。在彳惠國(guó)不來(lái)梅企業(yè)金屬3D打印技術(shù)中心的Ingo Uckelmann是金屬3D打印 服務(wù)和Materialise 公司的技術(shù)經(jīng)理。Uckelmann解釋有必要在三個(gè)階段控制殘 余應(yīng)力，即數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段、打印過(guò)程、后處理階段?！霸跀?shù)據(jù)處理階段我們使用Materialise Magics來(lái)選擇合適的擺放方向，從而阻止翹曲或后期的應(yīng)力導(dǎo)致的變形"，Uckelmann說(shuō)道：“Ma

10、gics也可以選用支撐把零件牢固連接在平臺(tái)上，并使用體支撐來(lái)快速導(dǎo)熱?！盪ckelmann指出，支撐結(jié)構(gòu)在金屬3D打印過(guò)程中扮演了重要卻又“不合理” 的角色?！耙环矫?，需要支撐結(jié)構(gòu)來(lái)抵消打印過(guò)程的應(yīng)力，保持零件位置不發(fā)生 變化。另一方面，支撐會(huì)散掉打印產(chǎn)生的熱量，因?yàn)檫^(guò)高的局部溫度可能會(huì)導(dǎo)致 表面質(zhì)量或力學(xué)性能的惡化"，Uckelmann解釋道：“Magics使用混合支撐來(lái)扮 演這兩方面角色?！薄按蛴∵^(guò)程中，我們使用機(jī)器通訊軟件Materialise Build Processor把零件切割成殼體和核心區(qū)”，Uckelmann補(bǔ)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(jié)構(gòu)的支撐指定不同的掃描策略。比 如，支撐結(jié)構(gòu)可以每?jī)蓪訏呙枰淮?，以提高掃描效率并降低?yīng)力。打印完成后， 我們對(duì)所有零件進(jìn)行熱處理以防止應(yīng)力變形。”裂紋除了零件內(nèi)部孔隙會(huì)產(chǎn)生裂紋外，熔融金屬凝固或某片區(qū)域進(jìn)一步加熱也會(huì) 出現(xiàn)裂紋。如果熱源功率太大，冷卻過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。圖6粉末床熔融工藝中應(yīng)力導(dǎo)致斷裂分層現(xiàn)象有可能會(huì)出現(xiàn)，導(dǎo)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(guò)后期處理來(lái)修復(fù)， 但分層無(wú)法通過(guò) 后處理解決。相應(yīng)地，可采取加熱基板的方式來(lái)減少這個(gè)問(wèn)題的出現(xiàn)。Beuth也能夠解釋清楚金屬3D打印過(guò)程中裂紋是如何出現(xiàn)的。他指出

12、裂紋和它 對(duì)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(guān)注的問(wèn)題。“一般來(lái)說(shuō)，設(shè)備制造商支持的材料不會(huì)在打印過(guò)程中出現(xiàn)裂紋"，Beuth說(shuō)：“但是，當(dāng)用戶開(kāi)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(gè)時(shí)候那就得考慮裂紋的問(wèn)題。與孔隙控制類似，可以通過(guò)調(diào)節(jié)工藝參數(shù)來(lái)減 少或者消除裂紋，這是增材制造領(lǐng)域研究熱點(diǎn)?！庇捎诹鸭y在零部件使用過(guò)程中出現(xiàn)，比如在疲勞載荷下。Beuth說(shuō)：“調(diào)整3D打印工藝參數(shù)可以很大程度上控制這些缺陷。需要注意的一點(diǎn)是，在制造零 件過(guò)程中你沒(méi)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(huì)存在。如果你能很

13、預(yù)判這些，工程師在設(shè)計(jì)時(shí)可以把這些因素考慮進(jìn)去， 仍 然能制造出可靠、安全的零件。”翹曲為了確保打印任務(wù)能順利開(kāi)始，打印的第一層熔融在基板上。當(dāng)打印完成后， 通過(guò)CNCm工使零件從基板上分離。然而，如果基板熱應(yīng)力超過(guò)了其強(qiáng)度，基板 會(huì)發(fā)生翹曲，最終會(huì)導(dǎo)致零件發(fā)生翹曲，會(huì)有致使刮刀撞到零件的風(fēng)險(xiǎn)。7金屬3D打印產(chǎn)品前曲Met-l-flo 公司的總裁、增材制造 ASTM F4密員會(huì)主席Carl Dekker對(duì)這 一現(xiàn)象的發(fā)生做了解釋?！霸诖蛴∵^(guò)程中你需要面對(duì)多個(gè)熱因素，即使你的產(chǎn)品 非常厚，也會(huì)因此產(chǎn)生附加應(yīng)力"。Dekker說(shuō)道：“打印過(guò)程有多個(gè)快速變化狀態(tài)。有些時(shí)候會(huì)導(dǎo)致零件從支撐脫

14、離。也有可能支撐足夠多，會(huì)對(duì)平臺(tái)產(chǎn)生拉 力。它可能導(dǎo)致平臺(tái)變形，它不是在你打印時(shí)發(fā)生，但是會(huì)發(fā)生在從機(jī)器取出平 臺(tái)或進(jìn)行后續(xù)加工階段?！币虼?，為了防止翹曲，需要在合適位置添加適量的支撐。如果不對(duì)每個(gè)要打 印的零件進(jìn)行反復(fù)嘗試，這些設(shè)置非常難以確定?，F(xiàn)在也有些正在開(kāi)發(fā)的軟件解 決方案，比如3DSIM公司的打印預(yù)測(cè)軟件。當(dāng)對(duì)一個(gè)設(shè)備的工藝有足夠了解后，也可以用Materialise 公司的Inspector軟件進(jìn)行金屬3D打印質(zhì)量控制。正如Inspector產(chǎn)品經(jīng)理Vincent WanhuYang所說(shuō)：“在Materialise 公司，我們注意到需要更精細(xì)的質(zhì)量控制， 我們的Inspector軟

15、件可以處理加工過(guò)程照片來(lái)提高使用者對(duì)工藝的認(rèn)知，從而判斷出哪些區(qū)域可能受翹曲影響。 通過(guò)分析根本原因和檢測(cè)矢量，用戶可以判斷 支撐是否缺乏，是什么導(dǎo)致變形。理解加工過(guò)程對(duì)下一次金屬3D打印的順利進(jìn)行非常必要?！逼渌麊?wèn)題其他變形，比如膨脹或者球化，也可能出現(xiàn)在金屬3D打印過(guò)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(guān)，它可以通過(guò)控制熔池的長(zhǎng)度-直徑比小于1-2來(lái)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(huì)導(dǎo)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(huì)降低。在粉末重復(fù)使用時(shí), 這一現(xiàn)象尤為常見(jiàn)。重復(fù)使用會(huì)導(dǎo)致粉末球形度降低，流動(dòng)性降低。打印過(guò)程也可能導(dǎo)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(shí) 低熔點(diǎn)元素可能會(huì)蒸發(fā)。對(duì)Ti-6Al-4V這種常用航空鈦合金，Ti比Al元素有更 高的熔點(diǎn)，在打印過(guò)程中這種材料的成分可能會(huì)改變。正如航空管理咨詢公司Aerolytics 的創(chuàng)始人Bill Bihlman所說(shuō)：“如果能 量密度過(guò)高，你會(huì)導(dǎo)致鋁元素蒸發(fā)。也可能會(huì)燒穿的下面額外幾層。每次你重復(fù) 加熱或冷卻某區(qū)域，它會(huì)影響殘余應(yīng)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(shí)避免各種問(wèn)題仍需要 大量的工藝知識(shí)積累和不斷嘗試。每個(gè)零件都需要修改設(shè)備參數(shù)，通常導(dǎo)致設(shè)備 操作者需多次打印同一個(gè)零件，直至克服翹曲、裂紋、孔隙等問(wèn)題。一旦打印完 成，需要對(duì)零部件進(jìn)行測(cè)試，確保其滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。讀到這里大家可能明白了，這個(gè)行業(yè)仍然在積累每種 3D打印技術(shù)的知識(shí)。那些已固化其設(shè)備加工參數(shù)的企業(yè)不一定能第一個(gè)解釋清楚是什么導(dǎo)致打印成 功。“先行者們擁有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，先進(jìn)入這一行業(yè)的能夠?qū)崿F(xiàn)自身差異化發(fā)展”， Bihlman解釋道：”他們利用了這一現(xiàn)實(shí)，3D打印學(xué)習(xí)曲線非常陡峭，然而它并 不是那么前沿。他們不會(huì)傳播任何他們不必做的事物?！?/p>