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在金屬3D打印的過程中，可能會有很多設(shè)備操作人員試圖避免的問題，包括孔隙率、殘余應(yīng)力、密度、翹曲、裂紋和表面光潔度。下面說說這些常見的問題。

1.表面光潔度

在金屬3D打印件被使用或放置在陳列柜之前，它經(jīng)歷了許多后處理過程，如數(shù)控加工、拋丸或噴砂，因為3D打印的金屬件表面不均勻。

圖3機加工前后EBM工藝3D打印Ti-6Al-4V鈦合金支架

受工藝性質(zhì)的影響，直接能量沉積生產(chǎn)的零件接近最終形狀，必須經(jīng)過CNC加工才能達到相應(yīng)的規(guī)格。粉末床熔煉生產(chǎn)的零件更接近最終形狀，但表面仍然粗糙。為了提高表面光潔度，可以使用更細(xì)的粉末和更小的層厚。

2.毛孔

由于金屬3D打印過程本身或粉末的原因，零件的3D打印過程中可能會形成非常小的孔。這些微孔會降低零件的整體密度，導(dǎo)致裂紋和疲勞問題。

圖4:光學(xué)顯微鏡下產(chǎn)品的內(nèi)部孔隙

上圖中光學(xué)顯微鏡的結(jié)果對比了熔化造成的不完全孔隙率和粉末原料造成的孔隙率。

在霧化過程中，粉末內(nèi)部可能會形成氣泡，氣泡會轉(zhuǎn)移到最終零件上。所以從優(yōu)秀的供應(yīng)商那里購買金屬粉末材料是非常重要的，優(yōu)質(zhì)的粉末會降低零件形成氣孔的概率。

更常見的是，3D打印過程本身會產(chǎn)生小孔。例如，當(dāng)激光功率太低時，金屬粉末不會完全熔化。功率過高時，會發(fā)生金屬飛濺，熔化的金屬飛出熔池，進入周圍區(qū)域。

3.密度

零件的密度與孔隙率成反比。孔隙率越多，零件密度越低，受力環(huán)境下就越容易出現(xiàn)疲勞或裂紋。對于關(guān)鍵應(yīng)用，零件密度需要達到99%以上。

除了上述控制孔體積的方式外，粉末的粒度分布也可能影響零件的密度。球形顆粒不僅可以提高粉末的流動性，還可以提高零件的密度。此外，更寬的粉末粒度分布允許細(xì)粉末填充粗粉末的間隙，導(dǎo)致更高的密度。然而，較寬的粉末粒度分布會降低粉末的流動性。

4.殘余應(yīng)力

在金屬3D打印中，殘余應(yīng)力是由冷熱變化、膨脹和收縮過程引起的。當(dāng)殘余應(yīng)力超過材料或基板的抗拉強度時，就會產(chǎn)生缺陷，如零件裂紋或基板翹曲。

圖5:殘余應(yīng)力導(dǎo)致3D打印鈦合金零件從平臺上分離

殘余應(yīng)力最集中在零件與基體的連接處，零件中心有較大的壓應(yīng)力，邊緣有較大的拉應(yīng)力。

殘余應(yīng)力可以通過增加支撐結(jié)構(gòu)來降低，因為它們的溫度比單獨的襯底高。一旦零件從基板上移除，殘余應(yīng)力將會釋放，但零件可能會在此過程中變形。

勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的研究人員提出了一種減少殘余應(yīng)力的方法。為了控制溫度波動，可以減少掃描矢量長度，而不是連續(xù)激光掃描。根據(jù)零件的最大橫截面旋轉(zhuǎn)掃描向量的方向可能會起作用。

6.裂縫

除了零件內(nèi)部孔隙中的裂紋，當(dāng)熔融金屬凝固或某個區(qū)域進一步加熱時，也可能出現(xiàn)裂紋。如果熱源功率過高，冷卻過程中可能會產(chǎn)生應(yīng)力。

圖6粉末床熔化過程中的應(yīng)力誘導(dǎo)斷裂

可能發(fā)生分層，導(dǎo)致層間斷裂。這可能是由于熔池下方幾層粉末熔化不足或重熔造成的。有些裂紋可以通過后處理修復(fù)，但脫層不能通過后處理解決。因此，這個問題可以通過加熱襯底來減少。

7.翹曲

為了確保印刷任務(wù)的順利開始，第一印刷層在基底上熔化。印刷后，通過數(shù)控加工將零件與基底分離。但如果基板的熱應(yīng)力超過其強度，基板就會翹曲，最終導(dǎo)致零件翹曲，存在刮刀撞擊零件的風(fēng)險。

其他問題

其他變形，如膨脹或球化，也可能發(fā)生在金屬3D打印過程中。當(dāng)熔融金屬超過粉末的高度時，就會發(fā)生膨脹。同樣，球化意味著金屬凝固成球體而不是平面層。這與熔池的表面張力有關(guān)，可以通過控制熔池的長徑比小于1-2來削弱表面張力。

圖8: 3 D打印不銹鋼球化和分層

避免金屬3D打印中的各種問題仍然需要大量的工藝知識積累和不斷的嘗試。每個零件都需要修改設(shè)備參數(shù)，這通常會導(dǎo)致設(shè)備操作員多次打印同一零件，直到翹曲、裂紋和氣孔等問題得到克服。打印完成后，需要對零件進行測試，以確保它們符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

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