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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),今天魔猴網(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)生在一個(gè)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(shí)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?,F(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(duì)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(tái)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(dá)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(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(gè)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(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(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(huì)使得熔覆寬度的搭接率太小,嚴(yán)重的話會(huì)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(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?jiān)w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(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)量。零件垂直方向的拉伸強(qiáng)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(gè)先進(jìn)制造領(lǐng)域深入推進(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)物,這是激光粉末熔化工藝的固有特性。


熱應(yīng)力產(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)。熔池沿著掃描矢量移動(dòng)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(huì)形成收縮應(yīng)力(右)。


殘留應(yīng)力具有破壞性。當(dāng)我們?cè)谝粋€(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(duì)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(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,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。


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