對于有些工程師，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、如何將幾百個零件的裝配體減少至一個、如何加工表面蒙皮的超輕點陣結構零件等報道，工程師們迫于壓力仔細研究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制。

直接能量沉積法（DED：Directed Energy Deposition）和粘結劑噴射法也可以用來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)粘結劑沉積在金屬粉末床上。打印完成后，后者對物件進行熱處理、爐內(nèi)燒結。

在金屬3D打印過程中，可能會出現(xiàn)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。

?

表面光潔度

?

在金屬3D打印件放置陳列室或用于發(fā)動機燃燒室前，它已經(jīng)經(jīng)歷了大量類似CNC加工、噴丸或噴砂后處理工藝，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(chǎn)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(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，可采用更細的粉末、更小的層厚。

?

但這種方式會提高材料成本，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)的零件都需要進行后處理以達到相應規(guī)格，有時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的后處理操作。這也意味著相對于金屬3D打印可能出現(xiàn)的其他問題，表面光潔度沒那么重要。

?

孔隙

?

零件3D打印過程中，內(nèi)部非常小的孔穴會形成孔隙，這可由3D打印工藝本身或者粉末引起。這些微孔會降低零件的整體密度，導致裂紋和疲勞問題的出現(xiàn)。

?

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，該結果來自一項名為“The Metallurgy and Processing Science of Metal Additive Manufacturing”的研究。

?

在霧化制粉過程中，氣泡可能在粉末的內(nèi)部形成，它將轉移到最終的零件中。由于這個原因，有必要從優(yōu)秀供應商手中采購材料。

?

更常見的是，3D打印過程本身會產(chǎn)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(xiàn)金屬飛濺的現(xiàn)象，融化的金屬飛出熔池進入到周圍區(qū)域。

?

當粉末的尺寸大于層厚，或者激光搭接過于稀疏，將會出現(xiàn)小孔。熔化的金屬沒有完全流到相應的區(qū)域也會造成小孔出現(xiàn)。

?

為了解決這些問題，大部分設備操作者需要針對特定的材料和任務來調(diào)試設備。對特定的材料和任務，設備參數(shù)（如激光功率、光斑尺寸、光斑形狀）需要調(diào)整來使孔隙最少。

?

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)整光斑形狀來減少粉末飛濺，大家熟知的“脈沖整形”可以實現(xiàn)區(qū)域逐漸融化。對于EBM工藝，電流會導致粉末顆粒從粉末床飛濺，它可以通過電子束快速掃描預熱粉末床來改善。

?

Forecast 3D金屬3D打印實驗室的經(jīng)理Jim Gaffney給出了以下減少孔隙的建議：“對于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)品致密度達到99%以上，最終零件可以通過熱等靜壓去除殘余的孔隙?！?/span>

?

也可以通過滲入其他材料法方式來減少孔隙，如滲銅。但添加輔助材料會改變零件的化學成分，可能會破壞零件原始設計應用場景。

?

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。

?

良好的粉末流動性對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。

?

卡內(nèi)基梅隆大學的機械工程學院教授、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)設置與零件孔隙量、致密度的關系。

?

“零件致密度最大化（孔隙量最少）非常重要，因為制造出來的零件在實際應用中會經(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，但對每次加工，總會有最優(yōu)的加工參數(shù)組合?！?/span>

?

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(chǎn)生，如零件有裂紋或者基板翹曲。

?

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(xù)激光掃描。根據(jù)零件最大截面旋轉掃描矢量的方位也許能起作用。

?

另外一種降低殘余應力的方式是，打印前先對基板和材料進行加熱處理。由于操作溫度更低，預加熱在EBM工藝中比SLM或DED工藝更常見。

?

在德國不來梅企業(yè)金屬3D打印技術中心的Ingo Uckelmann是金屬3D打印服務和Materialise公司的技術經(jīng)理。Uckelmann解釋有必要在三個階段控制殘余應力，即數(shù)據(jù)準備階段、打印過程、后處理階段。

?

“在數(shù)據(jù)處理階段我們使用Materialise Magics來選擇合適的擺放方向，從而阻止翹曲或后期的應力導致的變形”，Uckelmann說道：“Magics也可以選用支撐把零件牢固連接在平臺上，并使用體支撐來快速導熱?！?/span>

?

Uckelmann指出，支撐結構在金屬3D打印過程中扮演了重要卻又“不合理”的角色。“一方面，需要支撐結構來抵消打印過程的應力，保持零件位置不發(fā)生變化。另一方面，支撐會散掉打印產(chǎn)生的熱量，因為過高的局部溫度可能會導致表面質(zhì)量或力學性能的惡化”，Uckelmann解釋道：“Magics使用混合支撐來扮演這兩方面角色?！?/span>

?

“打印過程中，我們使用機器通訊軟件——Materialise Build Processor——把零件切割成殼體和核心區(qū)”，Uckelmann補充道：“每一部分采用不同的掃描策略。Build Processor也可以為不同結構的支撐指定不同的掃描策略。比如，支撐結構可以每兩層掃描一次，以提高掃描效率并降低應力。打印完成后，我們對所有零件進行熱處理以防止應力變形?！?/span>

?

裂紋

?

除了零件內(nèi)部孔隙會產(chǎn)生裂紋外，熔融金屬凝固或某片區(qū)域進一步加熱也會出現(xiàn)裂紋。如果熱源功率太大，冷卻過程中可能會產(chǎn)生應力。

圖6 粉末床熔融工藝中應力導致斷裂

?

分層現(xiàn)象有可能會出現(xiàn)，導致層間發(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(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注的問題。

?

“一般來說，設備制造商支持的材料不會在打印過程中出現(xiàn)裂紋”，Beuth說：“但是，當用戶開始嘗試加工不是制造商支持的材料，如更脆、更硬的合金，這個時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)來減少或者消除裂紋，這是增材制造領域研究熱點?！?/span>

?

由于裂紋在零部件使用過程中出現(xiàn)，比如在疲勞載荷下。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存在。如果你能很預判這些，工程師在設計時可以把這些因素考慮進去，仍然能制造出可靠、安全的零件。”

?

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(fā)生翹曲，最終會導致零件發(fā)生翹曲，會有致使刮刀撞到零件的風險。

Met-l-flo公司的總裁、增材制造ASTM F42委員會主席Carl Dekker對這一現(xiàn)象的發(fā)生做了解釋。“在打印過程中你需要面對多個熱因素，即使你的產(chǎn)品非常厚，也會因此產(chǎn)生附加應力”。Dekker說道：“打印過程有多個快速變化狀態(tài)。有些時候會導致零件從支撐脫離。也有可能支撐足夠多，會對平臺產(chǎn)生拉力。它可能導致平臺變形，它不是在你打印時發(fā)生，但是會發(fā)生在從機器取出平臺或進行后續(xù)加工階段?！?/span>

?

因此，為了防止翹曲，需要在合適位置添加適量的支撐。如果不對每個要打印的零件進行反復嘗試，這些設置非常難以確定?，F(xiàn)在也有些正在開發(fā)的軟件解決方案，比如3DSIM公司的打印預測軟件。

?

當對一個設備的工藝有足夠了解后，也可以用Materialise公司的Inspector軟件進行金屬3D打印質(zhì)量控制。正如Inspector產(chǎn)品經(jīng)理Vincent Wanhu Yang所說：“在Materialise公司，我們注意到需要更精細的質(zhì)量控制，我們的Inspector軟件可以處理加工過程照片來提高使用者對工藝的認知，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矢量，用戶可以判斷支撐是否缺乏，是什么導致變形。理解加工過程對下一次金屬3D打印的順利進行非常必要?！?/span>

?

其他問題

?

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，它可以通過控制熔池的長度-直徑比小于1-2來減弱。

?

暴露在氧氣或者潮濕環(huán)境中可能會導致合金的成分發(fā)生變化。比如，隨著Ti-6Al-4V鈦合金中氧元素增加，鋁元素含量可能會降低。在粉末重復使用時，這一現(xiàn)象尤為常見。重復使用會導致粉末球形度降低，流動性降低。

?

打印過程也可能導致合金的成分發(fā)生變化。合金是由多種金屬元素組成，打印時低熔點元素可能會蒸發(fā)。對Ti-6Al-4V這種常用航空鈦合金，Ti比Al元素有更高的熔點，在打印過程中這種材料的成分可能會改變。

?

正如航空管理咨詢公司Aerolytics的創(chuàng)始人Bill Bihlman所說：“如果能量密度過高，你會導致鋁元素蒸發(fā)。也可能會燒穿的下面額外幾層。每次你重復加熱或冷卻某區(qū)域，它會影響殘余應力，最終使材料性能降低?！?/span>

?

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(shù)，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。

?

讀到這里大家可能明白了，這個行業(yè)仍然在積累每種3D打印技術的知識。那些已固化其設備加工參數(shù)的企業(yè)不一定能第一個解釋清楚是什么導致打印成功。

?

“先行者們擁有競爭優(yōu)勢，先進入這一行業(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，3D打印學習曲線非常陡峭，然而它并不是那么前沿。他們不會傳播任何他們不必做的事物?！?/span>

?

獲取這一專業(yè)知識的一種方法是加入行業(yè)組織，比如America Makes，在這里會員們彼此共享新技術、新工藝的數(shù)據(jù)。沒有加入行業(yè)組織，可關注學術機構公開發(fā)表的數(shù)據(jù)。此外，軟件公司也是3D打印行業(yè)的先行者，比如Materialsie和3DSIM，他們在研究金屬3D打印問題的軟件解決方案。

?

目前，金屬3打印王國的邊界仍有待開拓，未來五年將會發(fā)生重大變化。如Beuth所說：“下一代制造中心的一項預測是，在五年內(nèi)行業(yè)將普遍具有有效消除產(chǎn)品孔隙的能力”。到那個時候，不僅企業(yè)自身能利用獲得的金屬3D打印知識，整個行業(yè)也會向前發(fā)展。

?