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(gè)零件的裝配體減少至一個(gè)、如何加工表面蒙皮的超輕點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)零件等報(bào)道，工程師們迫于壓力仔細(xì)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(jié)果。

背景

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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(diǎn)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(jī)制。

直接能量沉積法（DED：Directed Energy Deposition）和粘結(jié)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(jié)劑沉積在金屬粉末床上。打印完成后，后者對物件進(jìn)行熱處理、爐內(nèi)燒結(jié)。

在金屬3D打印過程中，可能會(huì)出現(xiàn)大量設(shè)備操作者試圖避免的問題，包括孔隙、殘余應(yīng)力、致密度、翹曲、裂紋及表面光潔度等。

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表面光潔度

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在金屬3D打印件放置陳列室或用于發(fā)動(dòng)機(jī)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?yàn)?D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(jī)加工前后

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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(jìn)行CNC處理以滿足相應(yīng)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(xì)的粉末、更小的層厚。

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但這種方式會(huì)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(jìn)行后處理以達(dá)到相應(yīng)規(guī)格，有時(shí)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。

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孔隙

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零件3D打印過程中，內(nèi)部非常小的孔穴會(huì)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(huì)降低零件的整體密度，導(dǎo)致裂紋和疲勞問題的出現(xiàn)。

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光學(xué)顯微鏡結(jié)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(jié)果來自一項(xiàng)名為“The Metallurgy and Processing Science of Metal Additive Manufacturing”的研究。

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

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更常見的是，3D打印過程本身會(huì)產(chǎn)生小孔。比如當(dāng)激光功率過低，會(huì)導(dǎo)致金屬粉末沒有充分熔融。當(dāng)功率過高，會(huì)出現(xiàn)金屬飛濺的現(xiàn)象，融化的金屬飛出熔池進(jìn)入到周圍區(qū)域。

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當(dāng)粉末的尺寸大于層厚，或者激光搭接過于稀疏，將會(huì)出現(xiàn)小孔。熔化的金屬?zèng)]有完全流到相應(yīng)的區(qū)域也會(huì)造成小孔出現(xiàn)。

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為了解決這些問題，大部分設(shè)備操作者需要針對特定的材料和任務(wù)來調(diào)試設(shè)備。對特定的材料和任務(wù)，設(shè)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。

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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。

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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(shí)現(xiàn)區(qū)域逐漸融化。對于EBM工藝，電流會(huì)導(dǎo)致粉末顆粒從粉末床飛濺，它可以通過電子束快速掃描預(yù)熱粉末床來改善。

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Forecast 3D金屬3D打印實(shí)驗(yàn)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(dá)到99%以上，最終零件可以通過熱等靜壓去除殘余的孔隙?！?/span>

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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(huì)改變零件的化學(xué)成分，可能會(huì)破壞零件原始設(shè)計(jì)應(yīng)用場景。

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密度

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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(guān)鍵性應(yīng)用，零件的致密度需要達(dá)到99%以上。

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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(huì)提高粉末的流動(dòng)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(xì)粉末填充于粗粉末的間隙，導(dǎo)致更高致密度。但是，寬粉末粒徑分布會(huì)降低粉末的流動(dòng)性。

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良好的粉末流動(dòng)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(huì)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。

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卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的機(jī)械工程學(xué)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(shè)置與零件孔隙量、致密度的關(guān)系。

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“零件致密度最大化（孔隙量最少）非常重要，因?yàn)橹圃斐鰜淼牧慵趯?shí)際應(yīng)用中會(huì)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(huì)有最優(yōu)的加工參數(shù)組合。”

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殘余應(yīng)力

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在金屬3D打印中，殘余應(yīng)力由冷熱變化、膨脹收縮過程引起。當(dāng)殘余應(yīng)力超過材料或者基板的拉伸強(qiáng)度，將有缺陷產(chǎn)生，如零件有裂紋或者基板翹曲。

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殘余應(yīng)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(yīng)力，邊緣處有較大拉應(yīng)力。

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可以通過添加支撐結(jié)構(gòu)來降低殘余應(yīng)力，因?yàn)樗鼈儽葐为?dú)的基板溫度更高。一旦零件從基板上取下來，殘余應(yīng)力會(huì)被釋放，但這個(gè)過程中零件可能會(huì)變形。

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勞倫斯利福摩爾國家實(shí)驗(yàn)室科研人員提出了一種降低殘余應(yīng)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(zhuǎn)掃描矢量的方位也許能起作用。

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

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在德國不來梅企業(yè)金屬3D打印技術(shù)中心的Ingo Uckelmann是金屬3D打印服務(wù)和Materialise公司的技術(shù)經(jīng)理。Uckelmann解釋有必要在三個(gè)階段控制殘余應(yīng)力，即數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段、打印過程、后處理階段。

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“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(yīng)力導(dǎo)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(tái)上，并使用體支撐來快速導(dǎo)熱?！?/span>

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Uckelmann指出，支撐結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)來抵消打印過程的應(yīng)力，保持零件位置不發(fā)生變化。另一方面，支撐會(huì)散掉打印產(chǎn)生的熱量，因?yàn)檫^高的局部溫度可能會(huì)導(dǎo)致表面質(zhì)量或力學(xué)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>

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

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裂紋

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

圖6 粉末床熔融工藝中應(yīng)力導(dǎo)致斷裂

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分層現(xiàn)象有可能會(huì)出現(xiàn)，導(dǎo)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(fù)，但分層無法通過后處理解決。相應(yīng)地，可采取加熱基板的方式來減少這個(gè)問題的出現(xiàn)。

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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(guān)注的問題。

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“一般來說，設(shè)備制造商支持的材料不會(huì)在打印過程中出現(xiàn)裂紋”，Beuth說：“但是，當(dāng)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(gè)時(shí)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(lǐng)域研究熱點(diǎn)?！?/span>

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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(diǎn)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(huì)存在。如果你能很預(yù)判這些，工程師在設(shè)計(jì)時(shí)可以把這些因素考慮進(jìn)去，仍然能制造出可靠、安全的零件?！?/span>

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翹曲

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為了確保打印任務(wù)能順利開始，打印的第一層熔融在基板上。當(dāng)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(yīng)力超過了其強(qiáng)度，基板會(huì)發(fā)生翹曲，最終會(huì)導(dǎo)致零件發(fā)生翹曲，會(huì)有致使刮刀撞到零件的風(fēng)險(xiǎn)。

Met-l-flo公司的總裁、增材制造ASTM F42委員會(huì)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(gè)熱因素，即使你的產(chǎn)品非常厚，也會(huì)因此產(chǎn)生附加應(yīng)力”。Dekker說道：“打印過程有多個(gè)快速變化狀態(tài)。有些時(shí)候會(huì)導(dǎo)致零件從支撐脫離。也有可能支撐足夠多，會(huì)對平臺(tái)產(chǎn)生拉力。它可能導(dǎo)致平臺(tái)變形，它不是在你打印時(shí)發(fā)生，但是會(huì)發(fā)生在從機(jī)器取出平臺(tái)或進(jìn)行后續(xù)加工階段?！?/span>

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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(gè)要打印的零件進(jìn)行反復(fù)嘗試，這些設(shè)置非常難以確定。現(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(yù)測軟件。

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當(dāng)對一個(gè)設(shè)備的工藝有足夠了解后，也可以用Materialise公司的Inspector軟件進(jìn)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(xì)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(rèn)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(dǎo)致變形。理解加工過程對下一次金屬3D打印的順利進(jìn)行非常必要?！?/span>

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其他問題

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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(guān)，它可以通過控制熔池的長度-直徑比小于1-2來減弱。

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暴露在氧氣或者潮濕環(huán)境中可能會(huì)導(dǎo)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(huì)降低。在粉末重復(fù)使用時(shí)，這一現(xiàn)象尤為常見。重復(fù)使用會(huì)導(dǎo)致粉末球形度降低，流動(dòng)性降低。

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打印過程也可能導(dǎo)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(shí)低熔點(diǎn)元素可能會(huì)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(diǎn)，在打印過程中這種材料的成分可能會(huì)改變。

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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(huì)導(dǎo)致鋁元素蒸發(fā)。也可能會(huì)燒穿的下面額外幾層。每次你重復(fù)加熱或冷卻某區(qū)域，它會(huì)影響殘余應(yīng)力，最終使材料性能降低?！?/span>

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讓金屬3D打印更加美好

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讀到這里，正如大家所猜想的那樣，在金屬3D打印時(shí)避免各種問題仍需要大量的工藝知識(shí)積累和不斷嘗試。每個(gè)零件都需要修改設(shè)備參數(shù)，通常導(dǎo)致設(shè)備操作者需多次打印同一個(gè)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(jìn)行測試，確保其滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

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

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“先行者們擁有競爭優(yōu)勢，先進(jìn)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(shí)，3D打印學(xué)習(xí)曲線非常陡峭，然而它并不是那么前沿。他們不會(huì)傳播任何他們不必做的事物。”

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獲取這一專業(yè)知識(shí)的一種方法是加入行業(yè)組織，比如America Makes，在這里會(huì)員們彼此共享新技術(shù)、新工藝的數(shù)據(jù)。沒有加入行業(yè)組織，可關(guān)注學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)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。

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目前，金屬3打印王國的邊界仍有待開拓，未來五年將會(huì)發(fā)生重大變化。如Beuth所說：“下一代制造中心的一項(xiàng)預(yù)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(gè)時(shí)候，不僅企業(yè)自身能利用獲得的金屬3D打印知識(shí)，整個(gè)行業(yè)也會(huì)向前發(fā)展。

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