干貨：金屬3D打印成品率影響要素分析

  要想打印出完美無缺的產(chǎn)品，工藝程序必須層層把關(guān)，下面小編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)生在一個充滿氬氣的成形倉中，這里氧氣含量低于100ppm，以確保在激光掃描時不產(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。現(xiàn)在市面上常見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)及厚度也決定了打印成品的品質(zhì)及精度。增大基板厚度和提高基板溫度可顯著抑制造型物翹曲、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，新的粉末鋪滿此層重復(fù)上述過程。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)粉末達到熔融狀態(tài)，粉末接收到的能量密度與激光所輸入和燒結(jié)過程中所控制的參數(shù)有關(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，熔池影響周圍粉末成型效果。

  激光會按照一定的規(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程中所產(chǎn)生的應(yīng)力值大小。

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

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

  雖然掃描的間距大可以顯著提升成型效率，但熔池范圍有限，如果間距過大，會使得熔覆寬度的搭接率太小，嚴(yán)重的話會產(chǎn)生圖3這種效果，導(dǎo)致成形件產(chǎn)生內(nèi)部缺陷。而線間距不足則會導(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)，能量密度輸入過小金屬粉末燒結(jié)不透，熔化不充分，燒結(jié)層之間產(chǎn)生殘余空隙;能量密度輸入過大金屬粉末大量氣化導(dǎo)致的殘渣飛濺，燒結(jié)溫度過高導(dǎo)致的熱變形，增加表面球化現(xiàn)象使表面凹凸不平。

  光斑不可以過大，同樣的能量密度下，隨著光斑直徑的變大會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)量。零件垂直方向的拉伸強度降低，更容易產(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)在各個先進制造領(lǐng)域深入推進。

  殘余熱應(yīng)力：

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

熱應(yīng)力產(chǎn)生機理圖

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

  殘留應(yīng)力具有破壞性。當(dāng)我們在一個加工層頂部增加另一個加工層時，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，零件邊緣會脫離基板。在比較極端的情況下，應(yīng)力可能會超出零件的強度，造成零件破壞性開裂或基板變形。

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

  對于這種情況，首先我們應(yīng)在設(shè)計時就考慮到應(yīng)力的問題，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,加強應(yīng)力集中區(qū)域結(jié)構(gòu)強度，以降低零件開裂程度。

  我們還可以通過改變激光的掃描方式來減少零件上的殘余應(yīng)力，在從一個加工層移至下一個加工層時旋轉(zhuǎn)掃描矢量的方向，這樣一來，應(yīng)力就不會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完全重復(fù)，最終確保應(yīng)力分布均勻。

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