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干货:金属3D打印成品率影响要素分析

作者: 15**15

来源:客户端

发布时间:2018-07-03 17:51:25

点击量:530

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要想打印出完美无缺的产品,工艺程序必须层层把关,下面小编为大家介绍一下影响金属3D打印成品率的三大要素:原材料、工艺参数、热应力残余。


原材料及耗材

金属3D打印发生在一个充满氩气的成形仓中,这里氧气含量低于100ppm,以确保在激光扫描时不产生氧化物。而且用于3D打印的金属材料在纯净度、球型度、粒径分布和含氧量等方面都有严格的要求。现在市面上常见的金属材料有钛合金、不锈钢、钴铬合金、镍基合金和铝合金等。金属基材的材质及厚度也决定了打印成品的品质及精度。增大基板厚度和提高基板温度可显著抑制造型物翘曲、提高造型物尺寸精度。


工艺参数对能量密度输入的影响

每个最终的零件都是由一层层熔融而成,每熔融一层,平台下降,新的粉末铺满此层重复上述过程。其真正的成型原理是激光将一定能量密度的能量输入粉末层,使得所扫描的区域内粉末达到熔融状态,粉末接收到的能量密度与激光所输入和烧结过程中所控制的参数有关,比如扫描速度,扫描间距,扫描功率,激光的能量在金属粉末表面形成熔池,熔池影响周围粉末成型效果。



激光会按照一定的规律和方向扫描到需要熔融的成型区域,根据不同材料合理地归化扫描路径。将扫描区域分成条带状、棋盘状等,可以有效的释放零件内部应力,规划每层扫描向量可以降低熔融过程中所产生的应力值大小。

那么在选择性熔融这一过程中,我们可以通过下面几个方面来提升最终产品性能。下面是同一种材料在不同扫描间距下的放大图,我们可以看到随着扫描间距扩大到一定的范围,会出现非常明显的内部缺陷:



Hatch line剖面线(Hatch Spacing:扫描间距,控制激光熔化中相邻两条平行线条的距离。)

虽然扫描的间距大可以显著提升成型效率,但熔池范围有限,如果间距过大,会使得熔覆宽度的搭接率太小,严重的话会产生图3这种效果,导致成形件产生内部缺陷。而线间距不足则会导致局部热量堆积,加剧热变形幅度。



激光功率和扫描速度也是决定能量密度的核心参数,能量密度输入过小金属粉末烧结不透,熔化不充分,烧结层之间产生残余空隙;能量密度输入过大金属粉末大量气化导致的残渣飞溅,烧结温度过高导致的热变形,增加表面球化现象使表面凹凸不平。

光斑不可以过大,同样的能量密度下,随着光斑直径的变大会使得能量集中在上表面,每层下方的粉末不能良好的受到激光熔池的影响有效融化,直接影响零件质量。零件垂直方向的拉伸强度降低,更容易产生裂痕。综上,想得到理想的打印效果要考虑很多因素,只有不断摸索更合适的工艺才能提供最佳金属3D打印解决方案,才能将增材制造技术在各个先进制造领域深入推进。


残余热应力:

再就是残余应力,这个大家都很熟悉了,残余应力是快速加热和冷却的必然产物,这是激光粉末熔化工艺的固有特性。


热应力产生机理图


激光在固体基体的顶部熔融金属形成新的熔池(左)。熔池沿着扫描矢量移动并熔融粉末,随后通过将热量传递至下方的固体金属,熔融后的粉末开始冷却。凝固后,冷却金属收缩,该金属层与下一层之间就会形成收缩应力(右)。

残留应力具有破坏性。当我们在一个加工层顶部增加另一个加工层时,应力随之形成并累积,这可能导致零件变形,其边缘卷起,之后可能会脱离支撑,在零件下表面较大且贴合基板的情况下,零件边缘会脱离基板。在比较极端的情况下,应力可能会超出零件的强度,造成零件破坏性开裂或基板变形。

这些情况一般出现在较大截面的零件中,由于截面过大导致残余热应力过高,从而致使零件严重变形或开裂。

对于这种情况,首先我们应在设计时就考虑到应力的问题,尽量的去避免大面积不间断烧结以降低零件变形程度。选取厚一些的基板,加强应力集中区域结构强度,以降低零件开裂程度。

我们还可以通过改变激光的扫描方式来减少零件上的残余应力,在从一个加工层移至下一个加工层时旋转扫描矢量的方向,这样一来,应力就不会全部在同一平面上集中,每层之间通常旋转相应的角度,以确保在加工完许多层后扫描方向才会完全重复,最终确保应力分布均匀。


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