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品，工藝程序必須層層把關，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、熱應力殘余。 

　　原材料及耗材 

　　金屬3D打印發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格的要求。現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。金屬基材的材質及厚度也決定了打印成品的品質及精度。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，使得所掃描的區域內粉末達到熔融狀態，粉末接收到的能量密度與激光所輸入和燒結過程中所控制的參數有關，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律和方向掃描到需要熔融的成型區域，根據不同材料合理地歸化掃描路徑。將掃描區域分成條帶狀、棋盤狀等，可以有效的釋放零件內部應力，規劃每層掃描向量可以降低熔融過程中所產生的應力值大小。 

　　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，會出現非常明顯的內部缺陷： 

　　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，嚴重的話會產生圖3這種效果，導致成形件產生內部缺陷。而線間距不足則會導致局部熱量堆積，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，能量密度輸入過小金屬粉末燒結不透，熔化不充分，燒結層之間產生殘余空隙；能量密度輸入過大金屬粉末大量氣化導致的殘渣飛濺，燒結溫度過高導致的熱變形，增加表面球化現象使表面凹凸不平。 

　　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，直接影響零件質量。零件垂直方向的拉伸強度降低，更容易產生裂痕。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在各個先進制造領域深入推進。 

　　殘余熱應力： 

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

　　熱應力產生機理圖

　　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力(右)。 

　　殘留應力具有破壞性。當我們在一個加工層頂部增加另一個加工層時，應力隨之形成并累積，這可能導致零件變形，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。 

　　這些情況一般出現在較大截面的零件中，由于截面過大導致殘余熱應力過高，從而致使零件嚴重變形或開裂。 

　　對于這種情況，首先我們應在設計時就考慮到應力的問題，盡量的去避免大面積不間斷燒結以降低零件變形程度。選取厚一些的基板，加強應力集中區域結構強度，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力，在從一個加工層移至下一個加工層時旋轉掃描矢量的方向，這樣一來，應力就不會全部在同一平面上集中，每層之間通常旋轉相應的角度，以確保在加工完許多層后掃描方向才會完全重復，最終確保應力分布均勻。