【編者按】金屬3D打印機(jī)是選擇性地?zé)Y(jié)金屬粉末進(jìn)行積層的裝置贺氓，目前主流的燒結(jié)熱源有兩種掠恢，即采用激光束的方式和采用電子束的方式仗扬。兩種方式的輸出功率和掃描速度各不相同斋射，這與積層面整體是否是一層一層預(yù)熱密切相關(guān)育勺。預(yù)熱與否會(huì)影響殘余應(yīng)力和粉末去除性，目標(biāo)形狀的實(shí)現(xiàn)也將發(fā)生變化罗岖。

日前有研究機(jī)構(gòu)對(duì)基于激光束和電子束的金屬3D打印技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比研究涧至，研究結(jié)果匯總?cè)缦隆?/p>

研究機(jī)構(gòu)分別使用了兩款典型的金屬3D打印設(shè)備：激光束式“EOSINT M280”（德國EOS公司）和電子束式“Arcam A2X”（瑞典Arcam公司）腹躁，作為近凈成形部件加工的加工裝置。

這兩種方式的最大造型尺寸基本相同南蓬，均為250mm見方纺非，最小積層厚度約為50μm＊1。主要不同在于激光束或電子束的輸出功率及掃描速度赘方。輸出功率方面烧颖，激光束式為400W，而電子束式高達(dá)3500W窄陡，掃描速度方面炕淮，激光束式為7m/s，而電子束式高達(dá)8000m/s跳夭，二者差距巨大涂圆。電子束式利用掃描速度的優(yōu)勢(shì)，造型時(shí)一層一層掃描造型臺(tái)整體進(jìn)行預(yù)熱（提高金屬粉末的溫度）后湃儒，再開始燒結(jié)截面形狀血洞。

＊1　金屬粉末材料為Ti-6Al-4V時(shí)，EOSINT M280的最大造型尺寸為250×250×325mm克蝶，Arcam A2X為200×200×380mm僻携，EOSINT M280的積層厚度為30μm或60μm，Arcam A2X為50μm搔肉。

預(yù)熱與否結(jié)果大不相同

那么疹返，預(yù)熱與否結(jié)果會(huì)怎樣變化呢？目前了解的主要有兩大直接影響（圖1）蓉止。

圖1：預(yù)熱和不預(yù)熱的特征差別

激光束式不實(shí)施預(yù)熱律跺，電子束式實(shí)施預(yù)熱。由此溶绢，殘余應(yīng)力的大小和造型物以外的粉末狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化侦镜，造型后的工序各有利弊。

首先劫扶，所需支撐體＊2的貼附情況有所不同翠霍。這是因?yàn)椋粚?shí)施預(yù)熱的激光束式的溫差會(huì)變大蠢莺，導(dǎo)致殘余應(yīng)力升高寒匙，造型品需要承受這種殘余應(yīng)力。需將支撐體牢牢貼附在第一層接觸的基底上躏将，支撐體的尺寸會(huì)相當(dāng)大锄弱。從基底移除支撐體時(shí)比較困難，因此造型后需要通過機(jī)械加工等做最后的處理祸憋。

＊2　支撐材料：為防止造型品的自重等造成目標(biāo)形狀變形而附加的部分会宪。需要在造型后去除肖卧。

而電子束式的溫差小，殘余應(yīng)力低掸鹅，因此僅用支撐凹槽部分的支撐體就完全可以造型喜命。“貼附用手就能彎曲的薄支撐體造型即可河劝，去除時(shí)用手稍微彎一下壁榕，或用鉗子稍微擰一下就能去除”。

如上所述赎瞎，從支撐體（殘余應(yīng)力）來看燕紊，電子束式比較占優(yōu)勢(shì)，不過激光束式也有優(yōu)勢(shì)癣吝。那就是粉末去除性荔寞。

實(shí)際上，預(yù)熱后金屬粉末會(huì)“變成類似假燒結(jié)的狀態(tài)”体涡。利用激光束式的話超瞧，造型范圍以外的部分可以直接作為粉末取出，而電子束式由于進(jìn)行了預(yù)熱轰窥，造型臺(tái)整體的粉末為略微凝固的狀態(tài)迈竖。

這種變成假燒結(jié)狀態(tài)的多余部分也可以通過噴砂清理去除，不過噴不到的部分則難以去除影其。擁有復(fù)雜電路的部件存在無法完全去除多余部分的問題脖煮。

利用獨(dú)自的造型樣品進(jìn)行確認(rèn)

為調(diào)查粉末去除性等會(huì)對(duì)實(shí)際造型物的精度和形狀再現(xiàn)性產(chǎn)生什么影響，研究機(jī)構(gòu)用這兩種方式的3D打印機(jī)打印了Ti-6Al-4V的造型樣品并進(jìn)行了比較（圖2）乍厉。為確認(rèn)以下六點(diǎn)蜀骗，專門設(shè)計(jì)了樣品。這六點(diǎn)包括：（1）如果沒有支撐體凹蜈，造型時(shí)的最大倒塌角度是的多大（極限造型角度）限寞、（2）能再現(xiàn)多小的橫孔（橫孔形狀、粉末去除性）仰坦、（3）圓棒的最小直徑和高度履植、（4）板的最薄厚度和高度、（5）縫隙部分和邊緣部分的形狀缎岗、（6）銳角部分的形狀静尼。

圖2：用于確認(rèn)造型極限的樣品的3個(gè)正射圖

為確認(rèn)形狀再現(xiàn)的極限白粉，準(zhǔn)備了對(duì)孔和棒的直徑以及積層方向的角度等進(jìn)行了改變的樣品传泊。在沒有支撐體的情況下打印了該形狀。

打印的樣品形狀的照片見圖3鸭巴。從設(shè)計(jì)尺寸來看眷细，尺寸為20mm和30mm的部分拦盹，精度在0.1mm以下，而尺寸為105mm（樣品寬度）的部分溪椎，產(chǎn)生了0.3mm以上的誤差普舆。這個(gè)結(jié)果比目錄參數(shù)稍差一些，不過“通過調(diào)整積層條件可以改善校读，只不過是個(gè)參考值”速痹。

圖3：外觀形狀的結(jié)果

測(cè)量造型樣品的尺寸，與設(shè)計(jì)值進(jìn)行了比較绳练。還測(cè)量了表面粗糙度锦镶。設(shè)計(jì)尺寸參照?qǐng)D2的正射圖。

下面來看一下對(duì)這六點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證的結(jié)果（圖4）枫昏。

圖4：用于確認(rèn)造型極限的樣品造型結(jié)果

激光束式和電子束式對(duì)形狀的再現(xiàn)性均有擅長和不擅長的部分偶屯。

（1）極限造型角度方面，經(jīng)確認(rèn)旋蝎，所有裝置在相對(duì)于水平面約30度的角度下都發(fā)生形狀崩塌冶习。40度時(shí)沒有發(fā)生，因此低于40度的角度應(yīng)該需要用支撐體造型孕序。

（2）橫孔方面琐幔，在激光束式中，φ（直徑）為0.5mm的孔出現(xiàn)變形递市，但φ為1～10mm可以再現(xiàn)孔的形狀齐秕，并去除粉末。

而在電子束式中仙蛉，φ為0.5～8mm的孔就堵死了笋敞。這是因?yàn)椋A(yù)熱導(dǎo)致假燒結(jié)荠瘪，實(shí)施噴砂清理時(shí)夯巷，小直徑的孔噴不到“梗“如果是直線形狀趁餐，用鐵絲等捅一捅就能去除粉末。不過篮绰，如果是冷卻水管等形狀復(fù)雜的構(gòu)造部件后雷，應(yīng)該很難去除粉末”。

（3）圓棒的最小直徑和（4）板的最薄厚度方面吠各，激光束式比較有優(yōu)勢(shì)臀突。以圓棒為例，激光束式針對(duì)φ0.3mm的設(shè)計(jì)值能再現(xiàn)φ0.29mm的圓棒贾漏，而電子束式在設(shè)計(jì)值為φ0.3mm和φ0.5mm時(shí)候学，都是再現(xiàn)φ0.75mm的圓棒藕筋。估計(jì)是因?yàn)榧す馐讲粫?huì)出現(xiàn)假燒結(jié)，所以僅掃描的部分幾乎完全正確地進(jìn)行了燒結(jié)呕摹。

不過蒂抒，對(duì)這種細(xì)薄形狀進(jìn)行細(xì)長造型時(shí)，在積層方向的高度方面二搀，電子束式比較占優(yōu)勢(shì)先兆。利用激光束式進(jìn)行薄板造型的話，厚度為0.3mm時(shí)最大只能造型7.3mm的高度诸恤。估計(jì)是因?yàn)槿炱郏煨椭械臍堄鄳?yīng)力導(dǎo)致變形，造成了層間錯(cuò)位峦仲。

（5）縫隙部分和邊緣部分的形狀方面盔鬼，實(shí)際的造型物均比設(shè)計(jì)值稍窄一些，其中激光束式的偏差相對(duì)較小质瘸，再現(xiàn)性更出色女饺。（6）銳角部分的形狀也是激光束式的形狀再現(xiàn)性更優(yōu)異，而電子束式?jīng)]有因?yàn)樽冃螌?dǎo)致形狀崩塌磨爪。

通過HIP處理提高疲勞強(qiáng)度

上面介紹了利用3D打印機(jī)造型的立體模型的形狀再現(xiàn)性儒恋，接下來看一下立體模型的機(jī)械強(qiáng)度。研究機(jī)構(gòu)公司通過在高溫環(huán)境下施加高壓氣體的HIP處理黔漂，驗(yàn)證了特性變化诫尽。

近年的金屬3D打印機(jī)通過提高粉末的品質(zhì)和熱源的輸出等，大幅提高了立體模型的密度炬守。不過牧嫉，立體模型依然會(huì)殘留微小的氣泡（氣孔）。該公司觀察截面發(fā)現(xiàn)减途，“造型后出現(xiàn)了多個(gè)20μm以下的氣孔”酣藻。

該公司通過HIP處理擠破了這些氣孔。實(shí)施密度測(cè)量確認(rèn)鳍置，密度有所改善＊3辽剧。機(jī)械強(qiáng)度方面，經(jīng)過HIP處理后税产，拉伸強(qiáng)度有所降低怕轿，不過斷裂伸長率得到改善。激光束式和電子束式在實(shí)施HIP處理前和處理后“都實(shí)現(xiàn)了比作為普通鈦64銷售的板材優(yōu)異的值”辟拷。

＊3　觀察截面組織發(fā)現(xiàn)撞羽，由于激光束式不進(jìn)行預(yù)熱就造型，因此溫度變化比較激烈，從組織上來看昂贷，形狀與實(shí)施溶體化和時(shí)效處理后的組織非常接近保懈。而電子束式由于實(shí)施了預(yù)熱答艘，組織形狀看上去像是混合了針狀組織一樣拆翘。晶粒的生長方向均朝著積層造型方向生長。由于通過HIP處理進(jìn)行了加熱息体，二者整體都變成了針狀組織囊脉。

通過HIP處理有望大幅改善的是疲勞強(qiáng)度。研究機(jī)構(gòu)公司實(shí)施旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)狗悔，激光束式和電子束式都通過HIP處理提高了疲勞極限（圖5）屉争。

圖5：旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)的結(jié)果

激光束式的疲勞強(qiáng)度（應(yīng)力振幅）稍高一些。不過巡软，通過實(shí)施HIP處理檩讯，疲勞強(qiáng)度大幅提高，二者基本相同了菌劲。

具體而言干跛，從實(shí)施107次疲勞試驗(yàn)后的應(yīng)力振幅（疲勞強(qiáng)度）來看，激光束式單體（造型后的狀態(tài)）的應(yīng)力振幅為360～370MPa祟绊，電子束式單體約為250MPa楼入，而經(jīng)過HIP處理后確認(rèn)，強(qiáng)度都提高到了600MPa牧抽。

以上介紹了研究機(jī)構(gòu)公司針對(duì)金屬3D打印機(jī)的形狀再現(xiàn)性和機(jī)械強(qiáng)度實(shí)施驗(yàn)證的結(jié)果嘉熊。這些驗(yàn)證只是該公司在目前擁有的積層條件下實(shí)施的。山本表示扬舒，“為了實(shí)現(xiàn)更出色的造型阐肤，今后還將大力開發(fā)積層條件”。

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