关于金属3D打印你需要注意的七件事.docx

关于金属3D打印你需要注意七件事
对于有些工程师，3D打印或许以一个不受欢迎方式突然出现。企业管理层们看到3D打印怎样拯救世界、怎样将几百个零件装配体降低至一个、怎样加工表面蒙皮超轻点阵结构零件等报道，工程师们迫于压力仔细研究3D打印零部件及工艺。在一些情况下，他们能得到想要到结果。
背景
金属3D打印最常见形式是粉末床熔融。这类工艺使用热源（SLM工艺使用激光，EBM工艺使用电子束）逐点将粉末颗粒熔融在一起，逐层加工至物件完成。粉末床熔融系统有热源和粉末分布控制机制。

直接能量沉积法（DED：Directed Energy Deposition）和粘结剂喷射法也能够用来3D打印金属物件。前者把粉末或者金属线材送至热源，后者把液态粘结剂沉积在金属粉末床上。打印完成后，后者对物件进行热处理、炉内烧结。

在金属3D打印过程中，可能会出现大量设备操作者试图防止问题，包含孔隙、残余应力、致密度、翘曲、裂纹及表面光洁度等。

表面光洁度
在金属3D打印件放置陈列室或用于发动机燃烧室前，它已经经历了大量类似CNC加工、喷丸或喷砂后处理工艺，因为3D打印出来金属件表面是凹凸不平。

图3 EBM工艺3D打印Ti-6Al-4V钛合金支架机加工前后
受工艺本性影响，直接能量沉积法生产是靠近最终形状零件，它必须进行CNC处理以满足对应规格要求。粉末床熔融方式生产零件更靠近其最终形状，不过其表面依然粗糙。为提升表面光洁度，可采取更细粉末、更小层厚。
但这种方式会提升材料成本，故需要在表面光洁度和成本间取平衡。因为全部粉末床熔融工艺生产零件都需要进行后处理以达成对应规格，有时采取粒径较粗粉末能够降低成本。因为不论零件表面怎样粗糙，零件都能够采取不一样等级后处理操作。这也意味着相对于金属3D打印可能出现其余问题，表面光洁度没那么主要。

孔隙
零件3D打印过程中，内部非常小孔穴会形成孔隙，这可由3D打印工艺本身或者粉末引发。这些微孔会降低零件整体密度，造成裂纹和疲劳问题出现。

光学显微镜结果比较了工艺引发熔融不完全孔隙和粉末原料带来孔隙，该结果来自一项名为“The Metallurgy and Processing Science of Metal Additive Manufacturing”研究。
在雾化制粉过程中，气泡可能在粉末内部形成，它将转移到最终零件中。因为这个原因，有必要从优异供给商手中采购材料。
更常见是，3D打印过程本身会产生小孔。比如当激光功率过低，会造成金属粉末没有充分熔融。当功率过高，会出现金属飞溅现象，融化金属飞出熔池进入到周围区域。
当粉末尺寸大于层厚，或者激光搭接过于稀疏，将会出现小孔。熔化金属没有完全流到对应区域也会造成小孔出现。
为了处理这些问题，大部分设备操作者需要针对特定材料和任务来调试设备。对特定材料和任务，设备参数（如激光功率、光斑尺寸、光斑形状）需要调整来使孔隙最少。
在粉末床熔融工艺中，采取激光分区扫描模式也能够降低孔隙量。这种类似棋盘填充模式代替单向扫描策略，减小了温度梯度。
在SLM工艺中，能够经过调整光斑形状来降低粉末飞溅，大家熟知“脉冲整形”能够实现区域逐步融化。对于EBM工艺，电流会造成粉末颗粒从粉末床飞溅，它能够经过电子束快速扫描预热粉末床来改进。
Forecast 3D金属3D打印试验室经理Jim Gaffney给出了以下降低孔隙提议：“对于SLM工艺，高品质金属粉末、适宜加工参数、合理环境控制能确保产品致密度达成99%以上，最终零件能够经过热等静压去除残余孔隙。”
也能够经过渗透其余材料法方式来降低孔隙，如渗铜。但添加辅助材料会改变零件化学成份，可能会破坏零件原始设计应用场景。

密度
零件致密度与孔隙量成反比。零件气孔越多，密度越低，在受力环境下越轻易出现疲劳或者裂纹。对于关键性应用，零件致密度需要达成99%以上。
除了前文提到控制孔隙量方式，粉末粒径分布也可能影响到零件致密度。球形颗粒不但会提升粉末流动性，也能够提升零件致密度。另外，较宽粉末粒径分布允许细粉末填充于粗粉末间隙，造成更高致密度。不过，宽粉末粒径分布会降低粉末流动性。
良好粉末流动性对于确保铺粉平整度、密度非常必要。正与你所想那样，它会影响到产品孔隙量和致密度。粉末堆积密度越大，零件孔隙量越低，致密度越高。
卡内基梅隆大学机械工程学院教授、下一代制造中心（NextManufacturing Center）主任Jack Beuth能够阐述清楚金属3D打印参数设置与零件孔隙量、致密度关系。
“零件致密度最大化（孔隙量最少）非常主要，因为制造出来零件在实际应用中会经历循环载荷”，Beuth解释道：“在我们CMU开展研究中，经过控制3D打印工艺参数，不一样起源孔隙量能够被控制或有效消除。在降低孔隙量方面，没有哪一个工艺参数比其余全部工艺好很多，但对每次加工，总会有最优加工参数组合。”

残余应力
在金属3D打印中，残余应力由冷热改变、膨胀收缩过程引发。当残余应力超出材料或者基板拉伸强度，将有缺点产生，如零件有裂纹或者基板翘曲。

残余应力在零件和基板连接处最为集中，零件中心位置有较大压应力，边缘处有较大拉应力。
能够经过添加支撑结构来降低残余应力，因为它们比单独基板温度更高。一旦零件从基板上取下来，残余应力会被释放，但这个过程中零件可能会变形。
劳伦斯利福摩尔国家试验室科研人员提出了一个降低残余应力方法，为了控制温度起伏，可采取减小扫描矢量长度方式代替连续激光扫描。依照零件最大截面旋转扫描矢量方位可能能起作用。
另外一个降低残余应力方式是，打印前先对基板和材料进行加热处理。因为操作温度更低，预加热在EBM工艺中比SLM或DED工艺更常见。
在德国不来梅企业金属3D打印技术中心Ingo Uckelmann是金属3D打印服务和Materialise企业技术经理。Uckelmann解释有必要在三个阶段控制残余应力，即数据准备阶段、打印过程、后处理阶段。
“在数据处理阶段我们使用Materialise Magics来选择适宜摆放方向，从而阻止翘曲或后期应力造成变形”，Uckelmann说道：“Magics也能够选取支撑把零件牢靠连接在平台上，并使用体支撑来快速导热。”
Uckelmann指出，支撑结构在金属3D打印过程中饰演了主要却又“不合理”角色。“首先，需要支撑结构来抵消打印过程应力，保持零件位置不发生改变。另首先，支撑会散掉打印产生热量，因为过高局部温度可能会造成表面质量或力学性能恶化”，Uckelmann解释道：“Magics使用混合支撑来饰演这两方面角色。”
“打印过程中，我们使用机器通讯软件——Materialise Build Processor——把零件切割成壳体和关键区”，Uckelmann补充道：“每一部分采取不一样扫描策略。Build Processor也能够为不一样结构支撑指定不一样扫描策略。比如，支撑结构能够每两层扫描一次，以提升扫描效率并降低应力。打印完成后，我们对全部零件进行热处理以预防应力变形。”

裂纹
除了零件内部孔隙会产生裂纹外，熔融金属凝固或某片区域深入加热也会出现裂纹。假如热源功率太大，冷却过程中可能会产生应力。

图6 粉末床熔融工艺中应力造成断裂
分层现象有可能会出现，造成层间发生断裂。这可能是粉末熔化不充分或熔池下面若干层重熔引发。有些裂纹能够经过后期处理来修复，但分层无法经过后处理处理。对应地，可采取加热基板方式来降低这个问题出现。
Beuth也能够解释清楚金属3D打印过程中裂纹是怎样出现。他指出裂纹和它对零件性能影响不局限于增材制造，在传统铸造和其余金属处理方法中也是大家关注问题。
“通常来说，设备制造商支持材料不会在打印过程中出现裂纹”，Beuth说：“不过，当用户开始尝试加工不是制造商支持材料，如更脆、更硬合金，这个时候那就得考虑裂纹问题。与孔隙控制类似，能够经过调整工艺参数来降低或者消除裂纹，这是增材制造领域研究热点。”
因为裂纹在零部件使用过程中出现，比如在疲劳载荷下。Beuth说：“调整3D打印工艺参数能够很大程度上控制这些缺点。需要注意一点是，在制造零件过程中你没必要消除全部孔隙或者缺点。主要是你知道什么孔隙或者缺点可能会存在。假如你能很预判这些，工程师在设计时能够把这些原因考虑进去，依然能制造出可靠、安全零件。”

翘曲
为了确保打印任务能顺利开始，打印第一层熔融在基板上。当打印完成后，经过CNC加工使零件从基板上分离。然而，假如基板热应力超出了其强度，基板会发生翘曲，最终会造成零件发生翘曲，会有致使刮刀撞到零件风险。

Met-l-flo企业总裁、增材制造ASTM F42委员会主席Carl Dekker对这一现象发生做了解释。“在打印过程中你需要面对多个热原因，即使你产品非常厚，也会所以产生附加应力”。Dekker说道：“打印过程有多个快速改变状态。有些时候会造成零件从支撑脱离。也有可能支撑足够多，会对平台产生拉力。它可能造成平台变形，它不是在你打印时发生，不过会发生在从机器取出平台或进行后续加工阶段。”
所以，为了预防翘曲，需要在适宜位置添加适量支撑。假如不对每个要打印零件进行重复尝试，这些设置非常难以确定。现在也有些正在开发软件处理方案，比如3DSIM企业打印预测软件。
当对一个设备工艺有足够了解后，也能够用Materialise企业Inspector软件进行金属3D打印质量控制。正如Inspector产品经理Vincent Wanhu Yang所说：“在Materialise企业，我们注意到需要更精细质量控制，我们Inspector软件能够处理加工过程照片来提升使用者对工艺认知，从而判断出哪些区域可能受翘曲影响。经过分析根本原因和检测矢量，用户能够判断支撑是否缺乏，是什么造成变形。了解加工过程对下一次金属3D打印顺利进行非常必要。”

其余问题
其余变形，比如膨胀或者球化，也可能出现在金属3D打印过程中。膨胀发生于熔化金属超出了粉末高度。类似地，球化为金属凝固成球形而不是平层。这和熔池表面张力关于，它能够经过控制熔池长度-直径比小于1-2来减弱。

暴露在氧气或者潮湿环境中可能会造成合金成份发生改变。比如，伴随Ti-6Al-4V钛合金中氧元素增加，铝元素含量可能会降低。在粉末重复使用时，这一现象尤为常见。重复使用会造成粉末球形度降低，流动性降低。
打印过程也可能造成合金成份发生改变。合金是由多个金属元素组成，打印时低熔点元素可能会蒸发。对Ti-6Al-4V这种惯用航空钛合金，Ti比Al元素有更高熔点，在打印过程中这种材料成份可能会改变。
正如航空管理咨询企业Aerolytics创始人Bill Bihlman所说：“假如能量密度过高，你会造成铝元素蒸发。也可能会烧穿下面额外几层。每次你重复加热或冷却某区域，它会影响残余应力，最终使材料性能降低。”

让金属3D打印愈加美好
读到这里，正如大家所猜测那样，在金属3D打印时防止各种问题仍需要大量工艺知识积累和不停尝试。每个零件都需要修改设备参数，通常造成设备操作者需数次打印同一个零件，直至克服翘曲、裂纹、孔隙等问题。一旦打印完成，需要对零部件进行测试，确保其满足相关标准。
读到这里大家可能明白了，这个行业依然在积累每种3D打印技术知识。那些已固化其设备加工参数企业不一定能第一个解释清楚是什么造成打印成功。
“先行者们拥有竞争优势，先进入这一行业能够实现本身差异化发展”，Bihlman解释道：“他们利用了这一现实，3D打印学习曲线非常陡峭，然而它并不是那么前沿。他们不会传输任何他们无须做事物。”
获取这一专业知识一个方法是加入行业组织，比如America Makes，在这里会员们彼此共享新技术、新工艺数据。没有加入行业组织，可关注学术机构公开发表数据。另外，软件企业也是3D打印行业先行者，比如Materialsie和3DSIM，他们在研究金属3D打印问题软件处理方案。
现在，金属3打印王国边界仍有待开拓，未来五年将会发生重大改变。如Beuth所说：“下一代制造中心一项预测是，在五年内行业将普遍具备有效消除产品孔隙能力”。到那个时候，不但企业本身能利用取得金属3D打印知识，整个行业也会向前发展。