關(guān)于金屬3D打印你需要注意的七件事

-.z.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)、如何加工外表蒙皮的超輕點(diǎn)陣構(gòu)造零件等報(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*些情況下，他們能得到想要到結(jié)果。背景金屬3D打印最常見的形式是粉末床熔融。這類工藝使用熱源〔SLM工藝使用激光，EBM工藝使用電子束〕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。直接能量沉積法〔DED：DirectedEnergyDeposition〕和粘結(jié)劑噴射法也可以用來(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)展熱處理、爐燒結(jié)。在金屬3D打印過程中，可能會(huì)出現(xiàn)大量設(shè)備操作者試圖防止的問題，包括孔隙、剩余應(yīng)力、致密度、翹曲、裂紋及外表光潔度等。外表光潔度在金屬3D打印件放置列室或用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室前，它已經(jīng)經(jīng)歷了大量類似C加工、噴丸或噴砂后處理工藝，因?yàn)?D打印出來(lái)的金屬件外表是凹凸不平的。圖3EBM工藝3D打印Ti-6Al-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)展C處理以滿足相應(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，但是其外表依然粗糙。為提高外表光潔度，可采用更細(xì)的粉末、更小的層厚。但這種方式會(huì)提高材料本錢，故需要在外表光潔度和本錢間取平衡。由于所有的粉末床熔融工藝生產(chǎn)的零件都需要進(jìn)展后處理以到達(dá)相應(yīng)規(guī)格，有時(shí)采用粒徑較粗的粉末可以降低本錢。由于不管零件外表如何粗糙，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)的其他問題，外表光潔度沒則重要?？紫读慵?D打印過程中，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)致裂紋和疲勞問題的出現(xiàn)。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"TheMetallurgyandProcessingScienceofMetalAdditiveManufacturing〞的研究。在霧化制粉過程中，氣泡可能在粉末的部形成，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。更常見的是，3D打印過程本身會(huì)產(chǎn)生小孔。比方當(dāng)激光功率過低，會(huì)導(dǎo)致金屬粉末沒有充分熔融。當(dāng)功率過高，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，或者激光搭接過于稀疏，將會(huì)出現(xiàn)小孔。熔化的金屬?zèng)]有完全流到相應(yīng)的區(qū)域也會(huì)造成小孔出現(xiàn)。為了解決這些問題，大局部設(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EBM工藝，電流會(huì)導(dǎo)致粉末顆粒從粉末床飛濺，它可以通過電子束快速掃描預(yù)熱粉末床來(lái)改善。Forecast3D金屬3D打印實(shí)驗(yàn)室的經(jīng)理JimGaffney給出了以下減少孔隙的建議："對(duì)于SLM工藝，高品質(zhì)金屬粉末、適宜的加工參數(shù)、合理的環(huán)境控制能保證產(chǎn)品致密度到達(dá)99%以上，最終零件可以通過熱等靜壓去除剩余的孔隙。〞也可以通過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，零件的致密度需要到達(dá)99%以上。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。此外，較寬的粉末粒徑分布允許細(xì)粉末填充于粗粉末的間隙，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?？ɑ仿〈髮W(xué)的機(jī)械工程學(xué)院教授、下一代制造中心〔Ne*tManufacturingCenter〕主任JackBeuth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。"零件致密度最大化〔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CMU開展的研究中，通過控制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。在降低孔隙量方面，沒有哪一種工藝參數(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。〞剩余應(yīng)力在金屬3D打印中，剩余應(yīng)力由冷熱變化、膨脹收縮過程引起。當(dāng)剩余應(yīng)力超過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。剩余應(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^添加支撐構(gòu)造來(lái)降低剩余應(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)，剩余應(yīng)力會(huì)被釋放，但這個(gè)過程中零件可能會(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剩余應(yīng)力的方法，為了控制溫度起伏，可采取減小掃描矢量長(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。另外一種降低剩余應(yīng)力的方式是，打印前先對(duì)基板和材料進(jìn)展加熱處理。由于操作溫度更低，預(yù)加熱在EBM工藝中比SLM或DED工藝更常見。在德國(guó)不來(lái)梅企業(yè)金屬3D打印技術(shù)中心的IngoUckelmann是金屬3D打印效勞和Materialise公司的技術(shù)經(jīng)理。Uckelmann解釋有必要在三個(gè)階段控制剩余應(yīng)力，即數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段、打印過程、后處理階段。"在數(shù)據(jù)處理階段我們使用MaterialiseMagics來(lái)選擇適宜的擺放方向，從而阻止翹曲或后期的應(yīng)力導(dǎo)致的變形〞，Uckelmann說道："Magics也可以選用支撐把零件結(jié)實(shí)連接在平臺(tái)上，并使用體支撐來(lái)快速導(dǎo)熱。〞Uckelmann指出，支撐構(gòu)造在金屬3D打印過程中扮演了重要卻又"不合理〞的角色。"一方面，需要支撐構(gòu)造來(lái)抵消打印過程的應(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^高的局部溫度可能會(huì)導(dǎo)致外表質(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。〞"打印過程中，我們使用機(jī)器通訊軟件——MaterialiseBuildProcessor——把零件切割成殼體和核心區(qū)〞，Uckelmann補(bǔ)充道："每一局部采用不同的掃描策略。BuildProcessor也可以為不同構(gòu)造的支撐指定不同的掃描策略。比方，支撐構(gòu)造可以每?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)展熱處理以防止應(yīng)力變形。〞裂紋除了零件部孔隙會(huì)產(chǎn)生裂紋外，熔融金屬凝固或*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假設(shè)干層重熔引起的。有些裂紋可以通過后期處理來(lái)修復(fù)，但分層無(wú)法通過后處理解決。相應(yīng)地，可采取加熱基板的方式來(lái)減少這個(gè)問題的出現(xiàn)。Beuth也能夠解釋清楚金屬3D打印過程中裂紋是如何出現(xiàn)的。他指出裂紋和它對(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)注的問題。"一般來(lái)說，設(shè)備制造商支持的材料不會(huì)在打印過程中出現(xiàn)裂紋〞，Beuth說："但是，當(dāng)用戶開場(chǎng)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題。與孔隙控制類似，可以通過調(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)。〞由于裂紋在零部件使用過程中出現(xiàn)，比方在疲勞載荷下。Beuth說："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(huì)存在。如果你能很預(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、平安的零件。〞翹曲為了確保打印任務(wù)能順利開場(chǎng)，打印的第一層熔融在基板上。當(dāng)打印完成后，通過C加工使零件從基板上別離。然而，如果基板熱應(yīng)力超過了其強(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)。Met-l-flo公司的總裁、增材制造ASTMF42委員會(huì)主席CarlDekker對(duì)這一現(xiàn)象的發(fā)生做了解釋。"在打印過程中你需要面對(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說道："打印過程有多個(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)展后續(xù)加工階段。〞因此，為了防止翹曲，需要在適宜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)展反復(fù)嘗試，這些設(shè)置非常難以確定?，F(xiàn)在也有些正在開發(fā)的軟件解決方案，比方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)展金屬3D打印質(zhì)量控制。正如Inspector產(chǎn)品經(jīng)理VincentWanhuYang所說："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軟件可以處理加工過程照片來(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。理解加工過程對(duì)下一次金屬3D打印的順利進(jìn)展非常必要。〞其他問題其他變形，比方膨脹或者球化，也可能出現(xiàn)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。這和熔池的外表力有關(guān)，它可以通過控制熔池的長(zhǎng)度-直徑比小于1-2來(lái)減弱。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。比方，隨著Ti-6Al-4V鈦合金中氧元素增加，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。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BillBihlman所說："如果能量密度過高，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*區(qū)域，它會(huì)影響剩余應(yīng)力，最終使材料性能降低。〞讓金屬3D打印更加美好讀到這里，正如大家所猜想的那樣，在金屬3D打印時(shí)防止各種問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)備操作者需屢次打印同一個(gè)零件，直至抑制翹曲、裂紋、孔隙等問題。一旦打印完成，需要對(duì)零部件進(jìn)展測(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)自身差異化開展〞，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，然而它并不是則前沿。他們不會(huì)傳播任何他們不必做的事物。〞獲