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。下面我們來(lái)談?wù)勥@幾種常出現(xiàn)的問(wèn)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(jīng)經(jīng)歷了大量類(lèi)似CNC加工、噴丸或噴砂等后處理工藝，因?yàn)?D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-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)行CNC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。

2、孔隙

由于金屬3D打印工藝本身或者粉末原因，可能會(huì)引起在零件3D打印過(guò)程中，內(nèi)部會(huì)形成非常小的孔穴孔隙。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)。

圖4：光學(xué)顯微鏡下產(chǎn)品內(nèi)部孔隙

上圖光學(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。

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。所以，從優(yōu)秀供應(yīng)商手中采購(gòu)金屬粉末材料相當(dāng)重要，優(yōu)質(zhì)粉末將減小零件形成孔隙的幾率。

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?chē)鷧^(qū)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(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%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。

4、殘余應(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。

圖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。

可以通過(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。

6、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)。

7、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)CNC加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)。

其他問(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(lèi)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。

圖8：3D打印不銹鋼球化與分層

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)。

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總結(jié)

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