要想打印出完美無(wú)缺的產(chǎn)(chǎn)品，工藝程序必須層層把關(guān)(guān)，今天魔猴網(wǎng)(wǎng)為大家介紹一下影響金屬3D打印成品率的三大要素：原材料、工藝參數(shù)、熱應(yīng)力殘余。

原材料及耗材

金屬3D打印發(fā)(fā)生在一個(gè)充滿(mǎn)氬氣的成形倉中，這里氧氣含量低于100ppm，以確保在激光掃描時(shí)不產(chǎn)(chǎn)生氧化物。而且用于3D打印的金屬材料在純凈度、球型度、粒徑分布和含氧量等方面都有嚴(yán)格的要求?，F(xiàn)在市面上常見(jiàn)的金屬材料有鈦合金、不銹鋼、鈷鉻合金、鎳基合金和鋁合金等。金屬基材的材質(zhì)(zhì)及厚度也決定了打印成品的品質(zhì)(zhì)及精度。增大基板厚度和提高基板溫度可顯著(zhù)抑制造型物翹曲、提高造型物尺寸精度。

工藝參數(shù)對能量密度輸入的影響

每個(gè)最終的零件都是由一層層熔融而成，每熔融一層，平臺下降，新的粉末鋪滿(mǎn)此層重復(fù)上述過(guò)程。其真正的成型原理是激光將一定能量密度的能量輸入粉末層，使得所掃描的區(qū)域內(nèi)粉末達(dá)到熔融狀態(tài)(tài)，粉末接收到的能量密度與激光所輸入和燒結(jié)過(guò)程中所控制的參數(shù)有關(guān)(guān)，比如掃描速度，掃描間距，掃描功率，激光的能量在金屬粉末表面形成熔池，熔池影響周?chē)勰┏尚托Ч?。

激光會(huì )按照一定的規(guī)律和方向掃描到需要熔融的成型區(qū)域，根據(jù)不同材料合理地歸化掃描路徑。將掃描區(qū)域分成條帶狀、棋盤(pán)狀等，可以有效的釋放零件內(nèi)部應(yīng)力，規(guī)劃每層掃描向量可以降低熔融過(guò)程中所產(chǎn)(chǎn)生的應(yīng)力值大小。

那么在選擇性熔融這一過(guò)程中，我們可以通過(guò)下面幾個(gè)方面來(lái)提升最終產(chǎn)(chǎn)品性能。下面是同一種材料在不同掃描間距下的放大圖，我們可以看到隨著(zhù)掃描間距擴(kuò)大到一定的范圍，會(huì )出現(xiàn)非常明顯的內(nèi)部缺陷：

Hatch line剖面線(xiàn)(Hatch Spacing：掃描間距，控制激光熔化中相鄰兩條平行線(xiàn)條的距離。)

雖然掃描的間距大可以顯著(zhù)提升成型效率，但熔池范圍有限，如果間距過(guò)大，會(huì )使得熔覆寬度的搭接率太小，嚴(yán)重的話(huà)會(huì )產(chǎn)(chǎn)生圖3這種效果，導(dǎo)致成形件產(chǎn)(chǎn)生內(nèi)部缺陷。而線(xiàn)間距不足則會(huì )導(dǎo)致局部熱量堆積，加劇熱變形幅度。

激光功率和掃描速度也是決定能量密度的核心參數(shù)，能量密度輸入過(guò)小金屬粉末燒結(jié)不透，熔化不充分，燒結(jié)層之間產(chǎn)(chǎn)生殘余空隙;能量密度輸入過(guò)大金屬粉末大量氣化導(dǎo)致的殘?jiān)w濺，燒結(jié)溫度過(guò)高導(dǎo)致的熱變形，增加表面球化現(xiàn)象使表面凹凸不平。

光斑不可以過(guò)大，同樣的能量密度下，隨著(zhù)光斑直徑的變大會(huì )使得能量集中在上表面，每層下方的粉末不能良好的受到激光熔池的影響有效融化，直接影響零件質(zhì)(zhì)量。零件垂直方向的拉伸強(qiáng)度降低，更容易產(chǎn)(chǎn)生裂痕。綜上，想得到理想的打印效果要考慮很多因素，只有不斷摸索更合適的工藝才能提供最佳金屬3D打印解決方案，才能將增材制造技術(shù)(shù)在各個(gè)先進(jìn)(jìn)制造領(lǐng)(lǐng)域深入推進(jìn)(jìn)。

殘余熱應(yīng)力：

再就是殘余應(yīng)力，這個(gè)大家都很熟悉了，殘余應(yīng)力是快速加熱和冷卻的必然產(chǎn)(chǎn)物，這是激光粉末熔化工藝的固有特性。

熱應(yīng)力產(chǎn)(chǎn)生機(jī)理圖

激光在固體基體的頂部熔融金屬形成新的熔池(左)。熔池沿著(zhù)掃描矢量移動(dòng)并熔融粉末，隨后通過(guò)將熱量傳遞至下方的固體金屬，熔融后的粉末開(kāi)始冷卻。凝固后，冷卻金屬收縮，該金屬層與下一層之間就會(huì )形成收縮應(yīng)力(右)。

殘留應(yīng)力具有破壞性。當(dāng)我們在一個(gè)加工層頂部增加另一個(gè)加工層時(shí)，應(yīng)力隨之形成并累積，這可能導(dǎo)致零件變形，其邊緣卷起，之后可能會(huì )脫離支撐，在零件下表面較大且貼合基板的情況下，零件邊緣會(huì )脫離基板。在比較極端的情況下，應(yīng)力可能會(huì )超出零件的強(qiáng)度，造成零件破壞性開(kāi)裂或基板變形。

這些情況一般出現(xiàn)在較大截面的零件中，由于截面過(guò)大導(dǎo)致殘余熱應(yīng)力過(guò)高，從而致使零件嚴(yán)重變形或開(kāi)裂。

對于這種情況，首先我們應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮到應(yīng)力的問(wèn)題，盡量的去避免大面積不間斷燒結(jié)以降低零件變形程度。選取厚一些的基板,加強(qiáng)應(yīng)力集中區(qū)域結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以降低零件開(kāi)裂程度。

我們還可以通過(guò)改變激光的掃描方式來(lái)減少零件上的殘余應(yīng)力，在從一個(gè)加工層移至下一個(gè)加工層時(shí)旋轉(zhuǎn)掃描矢量的方向，這樣一來(lái)，應(yīng)力就不會(huì )全部在同一平面上集中，每層之間通常旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度，以確保在加工完許多層后掃描方向才會(huì )完全重復(fù)，最終確保應(yīng)力分布均勻。