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。下面我們來談談這幾種常出現的問題。

1、表面光潔度

在金屬3D打印件被使用或放置在展柜之前，它已經經歷了大量類似CNC加工、噴丸或噴砂等后處理工藝，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-6Al-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CNC處理以滿足相應規格要求。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。

2、孔隙

由于金屬3D打印工藝本身或者粉末原因，可能會引起在零件3D打印過程中，內部會形成非常小的孔穴孔隙。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。

圖4：光學顯微鏡下產品內部孔隙

上圖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。

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。所以，從優秀供應商手中采購金屬粉末材料相當重要，優質粉末將減小零件形成孔隙的幾率。

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域。

3、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%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。球形顆粒不僅會提高粉末的流動性，也可以提高零件致密度。此外，較寬的粉末粒徑分布允許細粉末填充于粗粉末的間隙，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。

4、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。

圖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。

可以通過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，可采取減小掃描矢量長度的方式代替連續激光掃描。根據零件最大截面旋轉掃描矢量的方位也許能起作用。

6、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。

7、翹曲

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CNC加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，基板會發生翹曲，最終會導致零件發生翹曲，會有致使刮刀撞到零件的風險。

其他問題

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。

圖8：3D打印不銹鋼球化與分層

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。

以上就是悟空打印坊為大家介紹的有關3D打印金屬材料模型過程中常見問題的分析，希望大家喜歡。

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總結

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