3D打印金屬零件基體質量分析.doc

3D打印金屬零件基體質量分析研究的目的和意義：國外研究現(xiàn)狀：目前，對于3D打印研究主要集中在3D打印技術和成型材料的研究上。歐洲有名的RapidTooling方案提供商MCP推出了直接成型金屬的設備MCPRealizer，將其應用到SLM，可以成型壓鑄工具、注射模以及有一定成分金屬和陶瓷的醫(yī)學植入體。設備的最小鋪粉層厚約50m，成型室尺寸為250250240mm3，成形速度為5mm3/h，可以加工壁厚小于100m的薄壁件，且零件表面粗糙度可以達到1030m。日本的Oskada實驗室的SLM技術也取得了很大進展，零件層厚可達0.1mm，掃描速度可達34mm/s。對鈦金屬粉末進行激光成形，可制成致密度達92%的金屬零件，其抗拉強度達到290MPa。華南理工大學的王煥美根據(jù)DEM數(shù)據(jù)模型的特點，通過獲得等高線的方式來獲得三維打印的分層數(shù)據(jù)，用UV油墨作為成型材料完成三維地形圖的彩色打印。同時對打印的地形圖質量問題（如梯田現(xiàn)象嚴重、高度誤差等）提出解決方案，并研究了其色域范圍以及打印的線條粗糙度、寬度等屬性，為地形圖彩色三維打印提供質量控制方法。華中科技大學的彭昌吻依據(jù)選擇性激光熔化技術的特點，從掃描線的單道熔覆高度和寬度出發(fā)，分別研究了激光功率、掃描速度、能量密度對單道熔覆高度和寬度的影響規(guī)律。并以此為基礎，采用SLM（選擇性激光熔化技術，該技術將同種材料進行多層熔覆，熔覆層間的結合質量更容易得到保證。同時，由于激光的高能量密度特性，熔覆層金屬的顯微組織十分細小均勻，因而具有良好的硬度、塑性和耐腐蝕性能。）方法在不同工藝參數(shù)下制造出理論高度為10mm的薄壁墻，并對薄壁墻高度方向的成形精度進行了研究。通過正交實驗的方法，研究了選擇性激光熔化成型件時激光工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響規(guī)律，結果表明，激光功率為主要影響因素。通過改變切片層厚和傾斜角度，研究了選擇性激光成型件側表面的粗糙度，結果表明成型零部件的側面粗糙度與切片層厚的大小成正比，與傾斜角度的大小成反比。華中科技大學模具重點國家實驗室快速制造中心從2003年開始，就開始了SLM技術的研究。目前，該中心先后推出了兩套SLM設備：HRPM-I和HRPM-II，該中心成功制造了形狀復雜的薄壁網(wǎng)格件和葉片，但成型件較為疏松，最大致密度只達到80%。華南理工大學與北京隆源自動化成型設備有限公司等單位合作，在選擇性激光燒結設備的基礎上開發(fā)了一種選擇性激光熔化快速成形設備，該設備的成型空間為808050mm3，采用整體和局部惰性氣體的方法對成型過程進行保護，制件尺寸的精度達到0.01mm，表面粗糙度Ra為3050m，相對密度接近100%?！痉浅Ｖ匾獏⒖肌恳?、3D打印影響金屬零件基體質量的因素：1.三維打印快速成形機器和材料誤差1.1機器精度與誤差：機床的機械運動、定位和測量精度以及光學系統(tǒng)的影響。1.2材料形態(tài)的變化直接影響成形過程及成型件精度?！敬瞬糠衷臑闃渲牧?，此處考慮同樣可以適用于金屬材料】在成形工藝過程中，金屬從液態(tài)變成固態(tài)的過程中要產生線性收縮和體積收縮。而線性收縮將導致在逐層堆積時產生層間應力，這種層間應力使成形件變形翹曲，導致精度喪失。線性收縮在成形固化過程中導致整個成形件尺寸和形狀位置發(fā)生變化，使精度降低。此外，體積收縮將引起成形件尺寸的變化，導致零件精度減小。2.前期數(shù)據(jù)處理對成形質量的影響在所有的快速成形工藝中，一個零件的模型在造型軟件中生成之后，必須經過分層處理才能將數(shù)據(jù)輸入到設備中。形成的STL格式文件按照一定的厚度進行分層切片處理，并將切片后每層加工所需的二維截面輪廓信息存儲在計算機中。在數(shù)據(jù)處理時，三維模型三角化過程中會形成模型誤差，而在切片過程中由于層厚的存在不可避免地會在成形工件輪廓上形成“臺階效應”。另外還可能遺失切片層間的微小特征結構形成誤差。不同切片層厚對成形精度的影響3.成形過程對成形質量的影響三維打印快速成形要經歷液滴的噴射、沉積、擴展、融合和固化這幾個階段，在每個階段中，都存在許多對成形過程造成不良影響材料和設備工藝因素，并最終影響到零件的成形質量。（針對激光掃描及覆熔）3.1激光束掃描方式掃描方式與成形工件的內應力密切相關，合適的掃描方式可以減少零件的收縮量及翹曲變形，可以提高零件的成形精度。3.1液滴噴射時的影響因素三維打印快速成形過程首先要求金屬液體能夠有良好的噴射形態(tài)，即噴頭能夠以一定的速率穩(wěn)定地噴射均勻尺寸的單一自由液滴，在任何情況下如發(fā)生噴孔的堵塞或產生衛(wèi)星液滴均會影響到成形件最終質量和成形效率，致使成形件的表面精度降低和發(fā)生結構缺損，例如成形表面會出現(xiàn)溝壑和間隙，嚴重的情況下，甚至會造成成形件的報廢。3.1.1驅動脈沖壓電陶瓷片在驅動脈沖的作用下，發(fā)生彈性變形，從而擠壓噴頭內的材料并將其噴出，因此，驅動脈沖對于獲得良好的液滴噴射形態(tài)起到關鍵的作用。脈沖的幅值、形狀和頻率是驅動脈沖的三個關鍵參數(shù)，其中任何一個參數(shù)的改變都會影響到噴射液滴的形態(tài)。（1）驅動脈沖幅值驅動脈沖的幅值越大，液滴尺寸與噴射速度也就相應增加。如果驅動脈沖幅值太小，液流在充分地失穩(wěn)而形成離散的自由飛行液滴之前，液流甚至可能完全回縮至噴嘴內無法實現(xiàn)正常的噴射；如果驅動脈沖幅值太大，則多個液滴最終會形成衛(wèi)星液滴，這種衛(wèi)星液滴無法主液滴合并。（2）驅動脈沖形狀EricRLee通過實驗研究發(fā)現(xiàn)以下幾點：較小的脈沖寬度傾向于產生較小的液滴；較小的脈沖寬度一般傾向于需要較高的脈沖幅值；液滴的直徑主要取決于噴孔的直徑，調整脈沖寬度，可以使液滴的直徑在0.5-2倍的噴孔直徑范圍內變化，多數(shù)情況下，最好使液滴的直徑與噴孔直徑的差別為20%；在一定的脈沖寬度范圍內，改變脈沖幅值有時可導致液滴直徑突然發(fā)生很大的跳躍；改變脈沖寬度有時會影響液滴噴射方向的穩(wěn)定性，所以，應在不同的脈沖寬度下進行調整，使噴射的液滴的方向趨于正常。（3）驅動脈沖頻率在噴射循環(huán)期間，有些液體會在噴孔外表面沉積少量的殘余。噴射脈沖頻率過大時，與液體的蒸發(fā)速度和由于負內壓作用將液體吸回噴頭的速度相比，這些外表沉積液的形成速度高得多。在此環(huán)境下，可見的液珠可能出現(xiàn)在噴孔外表并使穩(wěn)定的噴射中斷，甚至在可見液珠形成之前，都已在噴孔外表面形成了很厚的彎月面，只有穿過此彎月面才能進行噴射。噴射頻率很高還會使液體升溫，從而改變液體的點度，甚至使壓電器件喪失極性、毀壞或使液體沸騰。3.1.2噴孔處的液體情況靠近噴孔處的液體狀況對噴射有重要的影響。例如，若噴孔附近液體內壓力較高，會迫使液流以緩慢滲漏的形式從噴孔流出，這將導致噴射系統(tǒng)運行中斷，因為噴射一般不可能通過覆蓋噴孔的厚液層；較高的噴射速率也會在噴孔表面遺留殘渣，最終造成停止噴射。3.1.3液體的溫度液體的溫度對液體界面張力有較小影響，但是對液體的黏度卻有著很大的影響，在比室溫略高的溫度下可以實現(xiàn)穩(wěn)定噴射。溫度太高，支撐材料容易熱聚合產生凝膠，堵住噴頭。3.1.4材料屬性3.1.4.1一些在使用上要求產品強度比較大的金屬零件還無法使用3D打印的成產方式，比如：飛機引擎內部的高性能零件仍然無法使用這種方法制造。3.1.4.2液體材料密度：密度越大，最大速度減小，最大壓力增加，不利于噴射；3.1.4.3液體材料黏度：點度過高時，液體流動和形成小液滴需消耗大量動能，液體不能從噴頭噴出，而當點度過低時液體拖尾容易漏出和液體飛濺；3.1.4.4液體材料界面張力：界面張力過高時形成液滴所需表面能大，液體不易形成小的液滴難以噴射出來，而當界面張力過低時，液滴噴射出后迅速在工作面上鋪展一方面無法形成有效層高另一方面影響制件的尺寸精度。3.1.5填充速度與擠出速度擠出速度是指噴頭內熔融態(tài)材料絲從噴嘴擠出的速度；填充速度是指掃描截面輪廓速度或打網(wǎng)格的速度。為了保證良好的打印效果，需要將擠出速度和填充速度進行合理匹配。3.2液滴沉積位置誤差（3D打印是基于離散堆積制造的原理：三維CAD模型切片，將輪廓數(shù)據(jù)轉為位圖數(shù)據(jù)，位圖數(shù)據(jù)以點陣描述信息，在不飛濺前提下準確落地預定位置。）3.2.1噴嘴噴射高度、射流方向和噴嘴中心偏移誤差3.2.2噴嘴內壁狀態(tài)的影響噴嘴內壁應光滑垂直，否則容易腐蝕變得粗糙3.3液滴鋪展時的影響因素四點要求：1.要完全鋪展，防止相鄰液滴之間無空隙；2.液滴直徑越小，分辨率越高；3.平衡時的液滴高度決定了形層的有效層高度；4.有清晰邊緣，保證成形件側壁的質量。主要因素：液滴接觸角、底材溫度。3.3.1液滴接觸角（判斷液體對固體濕潤度參數(shù)）對于微滴噴射而言，當接觸角太小時，液體會散幵、潤濕整個沉積層上表面，因此不能在此表面上形成良好的液滴，導致邊緣的清晰度與分辨率的喪失，無法形成有效層高；當角度太大時，液滴呈球狀，不能濕潤沉積層上表面，導致接觸不充分，出現(xiàn)缺陷。3.3.2預熱溫度對粉末材料進行預熱，可以減小因燒結成型時受熱對工件內部產生的熱應力，防止出現(xiàn)翹曲和變形，提高成形精度。預熱溫度對沉積液滴形貌的影響。此處研究的為樹脂材料溫度由低至高的三種形貌：（1）簡單帽形輪廓（預熱溫度為70）（2）過渡形輪廓（預熱溫度為80）（3）過渡形輪廓（預熱溫度為90）比表面體積很大，散熱快，所以預熱溫度至關重要。（有成銳角的邊緣和平整的表面）3.4液滴融合時的影響因素如果相鄰的兩個液滴不能很好的融合為一個整體，制得的樣件表面明顯的呈線性，而融合良好的液滴則沒有這種情況。原因就是分辨率的問題，提高分辨率有助于改善成形件的表面質量和精度。噴射層厚度決定Z軸方向的分辨率，可以降低工作臺每次移動的距離；縮小噴射液體體積，控制液滴鋪展的直徑和高度也有助于改善成形分辨率。掃描步距也是影響制件外觀形貌和內部質量的重要因素之一，如圖，為不同掃描步距下微滴間可能產生的搭接現(xiàn)象。當掃描步距過大時，熔滴間無法有效搭接成型實體；當掃描步距過小時，熔滴間發(fā)生過度搭接而隆起。對不同掃描步距下成型的制件內部進行觀察，當搭接率過大或者過小時，內部均會產生孔洞?？梢圆捎没隗w積恒定法的最優(yōu)化步距算法來確定合適的掃描步距。（參閱2）微觀孔洞和冷隔屬微滴噴射沉積件內部常見的微觀缺陷，主要受熔滴溫度、基板溫度等的影響。熔滴溫度較低時，液相分數(shù)較小，熔滴間搭接間隙難以填充完全，形成間隙孔洞.當基板溫度過低時，熔滴在較短時間內就會完全凝固，可供熔滴鋪展以及填充搭接間隙的時間較短，亦會引起間隙孔洞.除間隙孔洞外，在熔滴最后凝固的區(qū)域還會存在凝固收縮孔洞，此類孔洞通常難以完全消除，因其尺寸小，數(shù)量少，對整體性能影響不大.此外，熔滴溫度與基板溫度的合適匹配也是保證熔滴間良好重熔及冶金結合的必要條件。西北工業(yè)大學采用有限單元法和單元生死技術對沉積過程進行動態(tài)模擬，獲得了鋁合金沉積過程中熔滴溫度和基板溫度的最佳匹配值。3.5成形層固化時的影響因素主要是成形層固化速率，如果成形速率較慢，則成形件非常容易變形，半固化層無法支撐下一次噴射的液體，落下的液體也會是半固化的液體膨脹，是液體到處流動。其影響因素主要為材料因素和固化工藝條件。3.5.1材料因素對固化速率的影響主要是材料的預熱溫度以及材料的組成成分（選域打印、熔覆打印和焊接打印等工藝）粉末成分及顆粒大小，成形過程不受外力，難以消除粉末間間隙，導致制件容易出現(xiàn)孔隙，其強度、硬度比傳統(tǒng)鑄件要低。3.5.2固化工藝條件對固化速率的影響對于光敏樹脂材料，主要從成形層厚度、紫光燈功率、照射距離以及紫光燈掃描速度4.后處理過程對成形精度的影響從成形機上取出已成形的工件后，需要進行剝離支撐結構，有的還需要進行修補、打磨、拋光和表面處理等。（1）去除支撐時，可能對表面質量產生影響；（2）溫度、濕度的變化，工件可能會繼續(xù)變形并導致誤差，或者因為加工工藝的因素影響產生殘余應力而發(fā)生形變；（3）加工好的存在著小臺階小缺陷，需要進一步的修補、打磨、拋光，操作不當就會影響尺寸及精度。成形件質量問題一、測試件形狀：（調節(jié)比例因子）1.零件的臺階效應當三維打印成形件的外表面法線方向與加工方向成一定夾角時，由于受到離散堆積成形原理旳影響，外表面會因為臺階效應產生臺階誤差，零件外表面的臺階紋微觀形貌如圖所示。臺階效應不僅受液滴沉積形貌、分層厚度的影響，而且與成形件的外表面法線方向和加工方向的夾角有關。（使用表面粗糙度來測定）2.成形面上表面為平面表面法線方向與加工方向一致，所以表面質不會受到階梯效應影響，表面成形精度較高，粗糖度較低。但受到沿軸成形分辨率的限制，零件表面會出現(xiàn)一條條溝壑狀的條紋，而且起伏不平，呈鱗片狀。（a高速度）平整、細膩和光潔。（b高質量）3.下表面與支撐體相接觸，后處理去除支撐時會劃傷零件表面，降低表面精度。4.彎曲變形溫度、內應力、去除支撐體5.細微結構的缺陷一些比較細小的部位，如尺寸較小的孔、槽，或是沒有被加工出來，或是邊緣不清晰，難以分辨。6.工藝對金屬顯微組織影響電子束選區(qū)熔化打印（EBM）成形鈦合金的TEM(透射電鏡)觀察特征為在細針狀結構的馬氏體周圍圍繞著相，在低倍鏡下觀察組織特征為沿堆積高度方向生長的貫穿多層沉積層的粗大柱狀晶及分布于層間及堆積路徑間的明暗相間的帶狀條紋，而選域激光熔化打?。⊿LM）成形鈦合金的TEM特征為晶界內部是細小的針狀相。7.熱處理對金屬組織形態(tài)的影響（合金在加熱和冷卻過程中會發(fā)生相變，通過合理的控制熱處理工藝參數(shù)，使其發(fā)生相變，從而獲得所希望的顯微組織，由此實現(xiàn)合金物理性能和化學性能的改善）。研究發(fā)現(xiàn)對EBM成形的鈦合金經拉伸后進行熱處理，其斷面呈“梯度顯微組織”，可見球化及板層狀顯微組織。選域激光熔化打?。⊿LM）成形的鈦合金熱處理后顯微組織呈雙向性，柱狀的晶體在板層狀組織的邊緣，中間夾雜著-相。二、三維打印快速成型主要收到材料特性、噴射掃描、鋪粉過程等因素的影響由材料特性所導致的缺陷主要有：表面模糊、翹曲變形、尺寸變形等。由成型過程和工藝參數(shù)所導致的缺陷有；階梯狀表面、噴頭啟動處缺陷等。由材料特性和成型過程共同導致的缺陷有：微細結構缺陷、破碎、錯層、夾雜等。1.表面模糊成型材料是構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、流動性等）和粘接溶液的成分。2.翹曲變形當制件存在結構突變，或截面輪廓尖銳的地方等都有可能出現(xiàn)翹曲變形。當下一層粉末覆蓋在出現(xiàn)翹曲變形的層面上，鋪粉棍子的運動還會導致該層輪廓產生整體偏移，是缺陷擴大，甚至使成型過程失敗。3.尺寸變形內應力、熱膨脹4.階梯狀表面缺陷，如上圖。5.噴