关于金属3D打印你需要注意的七件事.doc

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1、关于金属3D打印你需要注意的七件事对于有些工程师，3D打印或许以一种不受欢迎的方式突然出现。公司管理层们看到3D打印如何拯救世界、如何将几百个零件的装配体减少至一个、如何加工表面蒙皮的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。在某些情况下，他们能得到想要到结果。背景金属3D打印最常见的形式是粉末床熔融。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：Direc

2、tedEnergyDeposition）和粘结剂喷射法也可以用来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避免的问题，包括孔隙、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打印出来的金属件表面是凹凸不平的。图3EBM工艺3D打印Ti-6Al-4V钛合金支

3、架机加工前后受工艺本性的影响，直接能量沉积法生产的是接近最终形状的零件，它必须进行CNC处理以满足相应规格要求。粉末床熔融方式生产的零件更接近其最终形状，但是其表面依然粗糙。为提高表面光洁度，可采用更细的粉末、更小的层厚。但这种方式会提高材料成本，故需要在表面光洁度和成本间取平衡。由于所有的粉末床熔融工艺生产的零件都需要进行后处理以达到相应规格，有时采用粒径较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级的后处理操作。这也意味着相对于金属3D打印可能出现的其他问题，表面光洁度没那么重

4、要。孔隙零件3D打印过程中，内部非常小的孔穴会形成孔隙，这可由3D打印工艺本身或者粉末引起。这些微孔会降低零件的整体密度，导致裂纹和疲劳问题的出现。光学显微镜结果比较了工艺引起的熔融不完全孔隙和粉末原料带来的孔隙，该结果来自一项名为“TheMetallurgyandProcessingScienceofMetalAdditiveManufacturing”的研究。在雾化制粉过程中，气泡可能在粉末的内部形成，它将转移到最终的零件中。由于这个原因，有必要从优秀供应商手中采购材料。更常见的是，3D打印过程本身会产

5、生小孔。比如当激光功率过低，会导致金属粉末没有充分熔融。当功率过高，会出现金属飞溅的现象，融化的金属飞出熔池进入到周围区域。当粉末的尺寸大于层厚，或者激光搭接过于稀疏，将会出现小孔。熔化的金属没有完全流到相应的区域也会造成小孔出现。为了解决这些问题，大部分设备操作者需要针对特定的材料和任务来调试设备。对特定的材料和任务，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，采取激光分区扫描的模式也可以减少孔隙量。这种类似棋盘的填充模式代替单向扫描策略，减小了温度梯度。在SLM工

6、艺中，可以通过调整光斑形状来减少粉末飞溅，大家熟知的“脉冲整形”可以实现区域逐渐融化。对于EBM工艺，电流会导致粉末颗粒从粉末床飞溅，它可以通过电子束快速扫描预热粉末床来改善。Forecast3D金属3D打印实验室的经理JimGaffney给出了以下减少孔隙的建议：“对于SLM工艺，高品质金属粉末、合适的加工参数、合理的环境控制能保证产品致密度达到99%以上，最终零件可以通过热等静压去除残余的孔隙。”也可以通过渗入其他材料法方式来减少孔隙，如渗铜。但添加辅助材料会改变零件的化学成分，可能会破坏零件原始设计应

7、用场景。密度零件的致密度与孔隙量成反比。零件气孔越多，密度越低，在受力环境下越容易出现疲劳或者裂纹。对于关键性应用，零件的致密度需要达到99%以上。除了前文提到的控制孔隙量的方式，粉末的粒径分布也可能影响到零件致密度。球形颗粒不仅会提高粉末的流动性，也可以提高零件致密度。此外，较宽的粉末粒径分布允许细粉末填充于粗粉末的间隙，导致更高致密度。但是，宽粉末粒径分布会降低粉末的流动性。良好的粉末流动性对于确保铺粉的平整度、密度非常必要。正与你所想的那样，它会影响到产品的孔隙量和致密度。粉末堆积密度越大，零件孔隙量

8、越低，致密度越高。卡内基梅隆大学的机械工程学院教授、下一代制造中心（NextManufacturingCenter）主任JackBeuth可以阐述清楚金属3D打印参数设置与零件孔隙量、致密度的关系。“零件致密度最大化（孔隙量最少）非常重要，因为制造出来的零件在实际应用中会经历循环载荷”，Beuth解释道：“在我们CMU开展的研究中，通过控制3D打印工艺参数，不同来源的孔隙量可以被控制或有效消除。在降低孔隙量方面，