3D打印金属零件基体质量分析.docx

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3D打印金属零件基体质量分析

3D打印金属零件基体质量分析

研究的目的和意义：

国外研究现状：

目前,对于3D打印研究主要集中在3D打印技术和成型材料的研究上。

欧洲有名的RapidTooling方案提供商MCP推出了直接成型金属的设备MCPRealizer，将其应用到SLM，可以成型压铸工具、注射模以及有一定成分金属和陶瓷的医学植入体。

设备的最小铺粉层厚约50μm，成型室尺寸为250×250×240mm3，成形速度为5mm3/h，可以加工壁厚小于100μm的薄壁件,且零件表面粗糙度可以达到10～30μm。

日本的Oskada实验室的SLM技术也取得了很大进展,零件层厚可达0.1mm，扫描速度可达3～4mm/s。

对钛金属粉末进行激光成形，可制成致密度达92％的金属零件，其抗拉强度达到290MPa。

华南理工大学的王焕美根据DEM数据模型的特点，通过获得等高线的方式来获得三维打印的分层数据，用UV油墨作为成型材料完成三维地形图的彩色打印.同时对打印的地形图质量问题（如梯田现象严重、高度误差等）提出解决方案,并研究了其色域范围以及打印的线条粗糙度、宽度等属性，为地形图彩色三维打印提供质量控制方法。

华中科技大学的彭昌吻依据选择性激光熔化技术的特点，从扫描线的单道熔覆高度和宽度出发，分别研究了激光功率、扫描速度、能量密度对单道熔覆高度和宽度的影响规律.并以此为基础，采用SLM（选择性激光熔化技术，该技术将同种材料进行多层熔覆，熔覆层间的结合质量更容易得到保证.同时，由于激光的高能量密度特性，熔覆层金属的显微组织十分细小均匀,因而具有良好的硬度、塑性和耐腐蚀性能。

）方法在不同工艺参数下制造出理论高度为10mm的薄壁墙，并对薄壁墙高度方向的成形精度进行了研究。

通过正交实验的方法，研究了选择性激光熔化成型件时激光工艺参数对表面粗糙度的影响规律，结果表明,激光功率为主要影响因素.通过改变切片层厚和倾斜角度α,研究了选择性激光成型件侧表面的粗糙度，结果表明成型零部件的侧面粗糙度与切片层厚的大小成正比,与倾斜角度的大小成反比。

华中科技大学模具重点国家实验室快速制造中心从2003年开始，就开始了SLM技术的研究.目前，该中心先后推出了两套SLM设备:

HRPM—I和HRPM—II，该中心成功制造了形状复杂的薄壁网格件和叶片，但成型件较为疏松，最大致密度只达到80％.

华南理工大学与北京隆源自动化成型设备有限公司等单位合作，在选择性激光烧结设备的基础上开发了一种选择性激光熔化快速成形设备，该设备的成型空间为80×80×50mm3,采用整体和局部惰性气体的方法对成型过程进行保护，制件尺寸的精度达到±0.01mm，表面粗糙度Ra为30～50μm，相对密度接近100％。

【非常重要参考】

一、3D打印影响金属零件基体质量的因素：

1。

三维打印快速成形机器和材料误差

1。

1机器精度与误差：

机床的机械运动、定位和测量精度以及光学系统的影响。

1.2材料形态的变化直接影响成形过程及成型件精度.【此部分原文为树脂材料,此处考虑同样可以适用于金属材料】在成形工艺过程中，金属从液态变成固态的过程中要产生线性收缩和体积收缩。

而线性收缩将导致在逐层堆积时产生层间应力，这种层间应力使成形件变形翘曲,导致精度丧失。

线性收缩在成形固化过程中导致整个成形件尺寸和形状位置发生变化，使精度降低.此外，体积收缩将引起成形件尺寸的变化，导致零件精度减小。

2。

前期数据处理对成形质量的影响

在所有的快速成形工艺中，一个零件的模型在造型软件中生成之后，必须经过分层处理才能将数据输入到设备中。

形成的STL格式文件按照一定的厚度进行分层切片处理,并将切片后每层加工所需的二维截面轮廓信息存储在计算机中。

在数据处理时，三维模型三角化过程中会形成模型误差，而在切片过程中由于层厚的存在不可避免地会在成形工件轮廓上形成“台阶效应”。

另外还可能遗失切片层间的微小特征结构形成误差。

不同切片层厚对成形精度的影响

3。

成形过程对成形质量的影响

三维打印快速成形要经历液滴的喷射、沉积、扩展、融合和固化这几个阶段，在每个阶段中，都存在许多对成形过程造成不良影响材料和设备工艺因素，并最终影响到零件的成形质量。

（针对激光扫描及覆熔）3.1激光束扫描方式

扫描方式与成形工件的内应力密切相关，合适的扫描方式可以减少零件的收缩量及翘曲变形,可以提高零件的成形精度。

3。

1液滴喷射时的影响因素

三维打印快速成形过程首先要求金属液体能够有良好的喷射形态，即喷头能够以一定的速率稳定地喷射均匀尺寸的单一自由液滴，在任何情况下如发生喷孔的堵塞或产生卫星液滴均会影响到成形件最终质量和成形效率，致使成形件的表面精度降低和发生结构缺损,例如成形表面会出现沟壑和间隙，严重的情况下，甚至会造成成形件的报废。

3.1.1驱动脉冲

压电陶瓷片在驱动脉冲的作用下,发生弹性变形，从而挤压喷头内的材料并将其喷出，因此,驱动脉冲对于获得良好的液滴喷射形态起到关键的作用。

脉冲的幅值、形状和频率是驱动脉冲的三个关键参数，其中任何一个参数的改变都会影响到喷射液滴的形态。

（1）驱动脉冲幅值

驱动脉冲的幅值越大,液滴尺寸与喷射速度也就相应增加。

如果驱动脉冲幅值太小，液流在充分地失稳而形成离散的自由飞行液滴之前，液流甚至可能完全回缩至喷嘴内无法实现正常的喷射；如果驱动脉冲幅值太大，则多个液滴最终会形成卫星液滴,这种卫星液滴无法主液滴合并。

（2）驱动脉冲形状

EricRLee通过实验研究发现以下几点：

①较小的脉冲宽度倾向于产生较小的液滴；②较小的脉冲宽度一般倾向于需要较高的脉冲幅值;③液滴的直径主要取决于喷孔的直径，调整脉冲宽度,可以使液滴的直径在0.5-2倍的喷孔直径范围内变化,多数情况下，最好使液滴的直径与喷孔直径的差别为±20％；④在一定的脉冲宽度范围内，改变脉冲幅值有时可导致液滴直径突然发生很大的跳跃；⑤改变脉冲宽度有时会影响液滴喷射方向的稳定性，所以,应在不同的脉冲宽度下进行调整，使喷射的液滴的方向趋于正常。

（3）驱动脉冲频率

在喷射循环期间,有些液体会在喷孔外表面沉积少量的残余。

喷射脉冲频率过大时,与液体的蒸发速度和由于负内压作用将液体吸回喷头的速度相比，这些外表沉积液的形成速度高得多.在此环境下，可见的液珠可能出现在喷孔外表并使稳定的喷射中断，甚至在可见液珠形成之前,都已在喷孔外表面形成了很厚的弯月面，只有穿过此弯月面才能进行喷射。

喷射频率很高还会使液体升温,从而改变液体的點度，甚至使压电器件丧失极性、毁坏或使液体沸腾.

3.1。

2喷孔处的液体情况

靠近喷孔处的液体状况对喷射有重要的影响。

例如，若喷孔附近液体内压力较高，会迫使液流以缓慢渗漏的形式从喷孔流出，这将导致喷射系统运行中断,因为喷射一般不可能通过覆盖喷孔的厚液层；较高的喷射速率也会在喷孔表面遗留残渣，最终造成停止喷射.

3。

1.3液体的温度

液体的温度对液体界面张力有较小影响,但是对液体的黏度却有着很大的影响,在比室温略高的温度下可以实现稳定喷射。

温度太高,支撑材料容易热聚合产生凝胶，堵住喷头。

3。

1.4材料属性

3。

1.4.1一些在使用上要求产品强度比较大的金属零件还无法使用3D打印的成产方式,比如：

飞机引擎内部的高性能零件仍然无法使用这种方法制造。

3。

1.4.2液体材料密度：

密度越大，最大速度减小,最大压力增加，不利于喷射;

3。

1.4.3液体材料黏度:

點度过高时，液体流动和形成小液滴需消耗大量动能，液体不能从喷头喷出，而当點度过低时液体拖尾容易漏出和液体飞溅;

3.1.4。

4液体材料界面张力：

界面张力过高时形成液滴所需表面能大，液体不易形成小的液滴难以喷射出来，而当界面张力过低时,液滴喷射出后迅速在工作面上铺展一方面无法形成有效层高另一方面影响制件的尺寸精度。

3。

1。

5填充速度与挤出速度

挤出速度是指喷头内熔融态材料丝从喷嘴挤出的速度;填充速度是指扫描截面轮廓速度或打网格的速度。

为了保证良好的打印效果，需要将挤出速度和填充速度进行合理匹配。

3.2液滴沉积位置误差

（3D打印是基于离散堆积制造的原理：

三维CAD模型切片，将轮廓数据转为位图数据，位图数据以点阵描述信息,在不飞溅前提下准确落地预定位置。

）

3。

2。

1喷嘴喷射高度、射流方向和喷嘴中心偏移误差

3.2.2喷嘴内壁状态的影响

喷嘴内壁应光滑垂直，否则容易腐蚀变得粗糙

3.3液滴铺展时的影响因素

四点要求：

1。

要完全铺展，防止相邻液滴之间无空隙；2。

液滴直径越小，分辨率越高；3.平衡时的液滴高度决定了形层的有效层高度；4.有清晰边缘，保证成形件侧壁的质量。

主要因素:

液滴接触角、底材温度。

3。

3。

1液滴接触角（判断液体对固体湿润度参数）

对于微滴喷射而言，当接触角太小时,液体会散幵、润湿整个沉积层上表面,因此不能在此表面上形成良好的液滴，导致边缘的清晰度与分辨率的丧失，无法形成有效层高；当角度太大时，液滴呈球状，不能湿润沉积层上表面，导致接触不充分,出现缺陷。

3.3.2预热温度

对粉末材料进行预热，可以减小因烧结成型时受热对工件内部产生的热应力,防止出现翘曲和变形，提高成形精度。

预热温度对沉积液滴形貌的影响。

此处研究的为树脂材料温度由低至高的三种形貌：

（1）简单帽形轮廓（预热温度为70℃）

（2）过渡形轮廓（预热温度为80℃）

（3）过渡形轮廓（预热温度为90℃）

比表面体积很大,散热快，所以预热温度至关重要。

（有成锐角的边缘和平整的表面）

3.4液滴融合时的影响因素

如果相邻的两个液滴不能很好的融合为一个整体，制得的样件表面明显的呈线性,而融合良好的液滴则没有这种情况。

原因就是分辨率的问题，提高分辨率有助于改善成形件的表面质量和精度.喷射层厚度决定Z轴方向的分辨率，可以降低工作台每次移动的距离；缩小喷射液体体积，控制液滴铺展的直径和高度也有助于改善成形分辨率。

扫描步距也是影响制件外观形貌和内部质量的重要因素之一,如图，为不同扫描步距下微滴间可能产生的搭接现象。

当扫描步距过大时，熔滴间无法有效搭接成型实体；当扫描步距过小时，熔滴间发生过度搭接而隆起。

对不同扫描步距下成型的制件内部进行观察,当搭接率过大或者过小时，内部均会产生孔洞。

可以采用基于体积恒定法的最优化步距算法来确定合适的扫描步距。

（参阅2）

微观孔洞和冷隔属微滴喷射沉积件内部常见的微观缺陷，主要受熔滴温度、基板温度等的影响。

熔滴温度较低时，液相分数较小，熔滴间搭接间隙难以填充完全，形成间隙孔洞。

当基板温度过低时，熔滴在较短时间内就会完全凝固,可供熔滴铺展以及填充搭接间隙的时间较短,亦会引起间隙孔洞。

除间隙孔洞外，在熔滴最后凝固的区域还会存在凝固收缩孔洞，此类孔洞通常难以完全消除，因其尺寸小，数量少,对整体性能影响不大.此外，熔滴温度与基板温度的合适匹配也是保证熔滴间良好重熔及冶金结合的必要条件。

西北工业大学采用有限单元法和单元生死技术对沉积过程进行动态模拟，获得了铝合金沉积过程中熔滴温度和基板温度的最佳匹配值。

3.5成形层固化时的影响因素

主要是成形层固化速率,如果成形速率较慢，则成形件非常容易变形，半固化层无法支撑下一次喷射的液体,落下的液体也会是半固化的液体膨胀，是液体到处流动。

其影响因素主要为材料因素和固化工艺条件.

3。

5。

1材料因素对固化速率的影响

主要是材料的预热温度以及材料的组成成分

（选域打印、熔覆打印和焊接打印等工艺）粉末成分及颗粒大小，成形过程不受外力，难以消除粉末间间隙,导致制件容易出现孔隙，其强度、硬度比传统铸件要低。

3.5.2固化工艺条件对固化速率的影响

对于光敏树脂材料，主要从成形层厚度、紫光灯功率、照射距离以及紫光灯扫描速度

4.后处理过程对成形精度的影响

从成形机上取出已成形的工件后，需要进行剥离支撑结构，有的还需要进行修补、打磨、抛光和表面处理等。

（1）去除支撑时，可能对表面质量产生影响;

（2）温度、湿度的变化，工件可能会继续变形并导致误差,或者因为加工工艺的因素影响产生残余应力而发生形变;（3）加工好的存在着小台阶小缺陷,需要进一步的修补、打磨、抛光，操作不当就会影响尺寸及精度。

成形件质量问题

一、测试件形状：

（调节比例因子）

1。

零件的台阶效应

当三维打印成形件的外表面法线方向与加工方向成一定夹角时，由于受到离散堆积成形原理旳影响，外表面会因为台阶效应产生台阶误差，零件外表面的台阶纹微观形貌如图所示。

台阶效应不仅受液滴沉积形貌、分层厚度的影响，而且与成形件的外表面法线方向和加工方向的夹角有关。

（使用表面粗糙度来测定）

2.成形面上表面为平面

表面法线方向与加工方向一致,所以表面质不会受到阶梯效应影响，表面成形精度较高,粗糖度较低.但受到沿轴成形分辨率的限制,零件表面会出现一条条沟壑状的条纹,而且起伏不平，呈鳞片状。

（a高速度）平整、细腻和光洁.（b高质量）

3。

下表面与支撑体相接触，后处理去除支撑时会划伤零件表面，降低表面精度。

4.弯曲变形

温度、内应力、去除支撑体

5.细微结构的缺陷

一些比较细小的部位,如尺寸较小的孔、槽，或是没有被加工出来,或是边缘不清晰，难以分辨.

6.工艺对金属显微组织影响

电子束选区熔化打印（EBM）成形钛合金的TEM（透射电镜）观察特征为在细针状结构的α′马氏体周围围绕着β相，在低倍镜下观察组织特征为沿堆积高度方向生长的贯穿多层沉积层的粗大柱状晶及分布于层间及堆积路径间的明暗相间的带状条纹，而选域激光熔化打印（SLM）成形钛合金的TEM特征为晶界内部是细小的针状α′相.

7。

热处理对金属组织形态的影响

（合金在加热和冷却过程中会发生相变,通过合理的控制热处理工艺参数，使其发生相变，从而获得所希望的显微组织，由此实现合金物理性能和化学性能的改善）。

研究发现对EBM成形的钛合金经拉伸后进行热处理,其断面呈“梯度显微组织”，可见球化及板层状显微组织。

选域激光熔化打印（SLM）成形的钛合金热处理后显微组织呈双向性，柱状的α晶体在板层状组织的边缘，中间夹杂着α—β相。

二、三维打印快速成型主要收到材料特性、喷射扫描、铺粉过程等因素的影响

由材料特性所导致的缺陷主要有：

表面模糊、翘曲变形、尺寸变形等.由成型过程和工艺参数所导致的缺陷有;阶梯状表面、喷头启动处缺陷等。

由材料特性和成型过程共同导致的缺陷有:

微细结构缺陷、破碎、错层、夹杂等。

1。

表面模糊

成型材料是构成制件表面模糊的主要原因，它包括粉末特性（包括粉末的成分和比例、粉

末粒度、流动性等）和粘接溶液的成分。

2.翘曲变形

当制件存在结构突变，或截面轮廓尖锐的地方等都有可能出现翘曲变形。

当下一层粉末覆盖在出现翘曲变形的层面上，铺粉棍子的运动还会导致该层轮廓产生整体偏移，是缺陷扩大，甚至使成型过程失败.

3。

尺寸变形

内应力、热膨胀

4.阶梯状表面缺陷，如上图.

5.喷头启动处缺陷

喷头在启动处缺陷主要是由于喷头发生轻微堵塞所导致的.粘接溶液的粘度过大、或是溶液干涸速度过快，在喷头表面形成魔装物质，以及粉末粘附到喷头表面等都有可能导致喷头堵塞。

6.细微结构缺陷，如上图。

7。

破碎

没有喷射足够的粘接溶液;这除了和材料的粘接特性，如粘接成分的配比不恰当、粉末颗粒太大等因素有关，还有可能与部分喷头堵塞。

8.错层

成型制件在沿辊子移动的方向,有可能出现错层，导致Y方向尺寸精度降低，表面质量变差。

9。

夹杂

当粉末中含有不均匀的硬团聚颗粒,粉末的流动性差，或辊子上粘有异物,辊子与粉末平面的摩擦增大,粉末平面不平整时，有可能产生夹杂现象。

红1—-【重要参阅1】

黄2——【重要参阅2】

说明:

金属件的3D打印工艺可分为四大类型:

熔融沉积成型（FDM）、三维打印黏结成型（3DP）、选择性激光烧结技术（SLS）、直接金属粉末激光烧结技术（DMLS）

选域激光熔化打印（SLM）、电子束选区熔化打印（EBM）、激光近净成形打印（LENS）。

华中科技大学的彭昌吻的硕士学位论文《基于选择性激光熔化技术的不锈钢零件宏观质量研究》依据选择性激光熔化技术的特点，从扫描线的单道熔覆高度和宽度出发，分别研究了激光功率、扫描速度、能量密度对单道熔覆高度和宽度的影响规律。

然后通过正交实验的方法,研究了选择性激光熔化成型件时激光工艺参数对表面粗糙度的影响规律，结果表明，激光功率为主要影响因素。

通过改变切片层厚和倾斜角度α，研究了选择性激光成型件侧表面的粗糙度，结果表明成型零部件的侧面粗糙度与切片层厚的大小成正比，与倾斜角度的大小成反比。