3DP基体质量分析及优化方法综述

3DP基体质量分析及优化方法综述王素玉1，刘站（山东科技大学机械电子工程学院，青岛266590）摘要：3DP技术1前言在加工制造领域，新的材料伴随着新的制造工艺的出现被应用，逐层加工技术（LayerManufacturing，LM）以及快速原型制造技术（RapidPrototyping，RP）得到广阔的发展和应用。近十年来，在LM技术和RP技术发展的基础上，3D打印（ThreeDimensionalPrinting，3DP）技术由于其低成本、高速度等优势开始在加工制造领域占据重要的地位，越来越受到世界上各国加工制造行业的青睐。目前，国内外对于3DP技术的研究类型主要是熔融沉积式（FusedDepositionModeling，FDM）、选择性激光熔化成型（SelectiveLaserMelting，SLM）和选择性激光烧结（SelectiveLaserSintering，SLS）。3DP技术的发展，其目的是为了直接制造出终端密度高、机械性能好的复杂零件，以弥补现有快速成形技术中的不足【1】。3DP产品现已广泛应用于医疗、汽车、船舶、航空航天等领域【2】。随着3DP技术的不断成熟，研究人员越来越注重3DP基体质量问题。打印基体质量（表面粗糙度、致密度、内部结构等）关乎产品的耐用度，进而决定着加工零件的使用寿命和可靠性。本文以3D打印金属为主，分析总结了影响打印基体质量的影响因素，对打印基体表面及内部结构进行了综合评述，并对提高打印基体质量的措施进行了探讨。2影响因素2.1成形材料的流动特性成形材料的流动特性是衡量成形材料的重要指标，在SLM成形过程中应选用流动性较好的合金粉末。合金粉末球形度、表面形态、粒度分布等都会影响到成形材料的流动性。另外，粉末的形状、粉末的粒度及分布、粉末密度和粉末的结合都对打印的质量有着极为重要的影响。（a）流动性良好堆积情况（b）流动性不好堆积情况2.2烧结温度/成形温度控制3DP技术的加工机理就是将成形原材料加热融化然后进行自然或可控凝固，因此成形温度控制在3DP成形技术中是影响基体质量及其重要的一个因素。在不同的温度下，成形材料融化、凝固的速率不同，同时微观颗粒的凝结情况也受到温度的影响，因此会影响到成形件的致密度，进而反映在宏观缺陷中。下图显示的是添加0.5%B元素的合金分别烧结在1150℃、1200℃和1250℃下的微观组织结构。【3】1王素玉（1962-），女，山东科技大学交通学院教授，山东大学博士，主要从事高速切削加工机理及应用、齿轮精加工工艺等方面的研究工作，发表论文40余篇.Tle:0532-86057978.Email:[e-mail].（a）成形温度为1150℃（b）成形温度为1150℃（c）成形温度为1150℃2.3铺粉厚度/z轴增量Δz铺粉是3DP技术的前提，铺粉的厚度对于成形的质量影响很大。如果铺粉厚度较小，由于脉冲激光的快速扫过，粉末受到冲击力而飞溅，导致该位置融化粉末量很小，造成成型厚度不够、扫描线断断续续。随着铺粉厚度的增加，这种现象的影响力逐渐变小，粉末熔化量趋于稳定，成型厚度逐渐增加，扫描线也由断断续续变得连续。但随着铺粉厚度的继续增加，球化现象逐渐出现并成为了主要影响因素，对成型质量产生不良影响，因此应保证每层的铺粉厚度在一定的合理范围之内。随着铺粉厚度的增加，扫描线宽先变宽后降低，高度呈现出递减式增加。【6】2.4工艺参数的影响2.4.1扫描速度扫描的速度主要对单位面积粉末吸收的热量产生影响，从而影响到粉末融化的面积及速率。如果扫描速度过慢，单位面积粉末吸收的热量太大而产生球化现象，也会因为温度过高熔池发生氧化现象，使熔池出现杂质，影响成形质量。随着扫描速度的加快，单位面积粉末吸收的热量逐渐降低，球化现象和氧化现象弱化，扫面线变得连续而平滑。如果扫描速度过快，扫描线开始变得不连续，粗糙度降低。【6】2.4.2脉宽脉宽对于成形质量的影响与扫描速度相似，即随着脉宽的增加，扫描先是逐渐变得联系而光滑，然后出现球化现象使得扫描线变得不连续而粗糙。扫描线的宽度和高度都是随着脉宽的增加而呈现递减型增加。但是研究发现，脉宽变化量很小时，成形质量却能发生显著的变化，由此可以看出，成形质量对于脉宽的敏感度比较大，在使用3DP技术成形过程中应严格控制。【6】2.4.3扫描电流因为脉宽以及扫描电流的大小决定了释放能量的多少，扫描电流对于成型质量的影响同脉宽有着相同的变化规律，此处不再缀余。2.4.4脉冲频率脉冲频率对于成形质量的影响也与脉宽类似，所不同的是，随着脉冲频率的增加，扫描线的宽度要比高度增加的快，说明脉宽频率对于扫描线的宽度影响至关重要，成形时需要对脉冲频率进行合理设定。2.4.5扫描间距/搭接率为了使扫描线之间实现搭接，扫面间距应控制在扫描线宽的1/3-3/4。在其他参数不变的前提下，扫描间距直接影响的便是搭接率，如果扫描间距过大，扫描线之间不能相互搭接，在两扫描线之间便形成凹槽，出现明显的波浪形形面【12】，随着扫描间距的减小，搭接率逐渐变大，凹槽逐渐变浅直到与两扫描线最高点平齐，宏观角度看就是表面粗糙度逐渐变小，表面变得光洁。但是如果扫描间距过小导致搭接率过大，搭接处容易形成凸起，从而使的表面粗糙度逐渐变差。无论搭接率过大或者过小基体内部都会出现孔洞。可以通过最优化步距算法【19】来确定恰当的扫描间距。2.4.6扫描层数由于3DP技术是将预打印模型分型分层处理然后逐层堆积而成的，因此将模型分的层数越多，台阶效应的影响也就越小，表面粗糙度越好，其打印效果也就越理想。但是扫描层数越多其加工时间和加工难度也相应增加，目前3DP技术水平也暂时达不到，所以针对预打印目标需要在条件允许的前提下确定最佳扫描层数。2.4.7打印头的高度（对于喷液打印有效）打印头的高度对成形液滴有着很大影响，打印头高度太高会使液滴不能精确落到目标点，影响打印精度，而如果打印头高度太低会使打印头与熔池接触，阻碍打印头的运动，甚至会打印过程的继续。另外，打印头的高度对成形线条的宽度、粗糙度、模糊度和对比度在一定范围内随着高度的减小而变好，然后随着高度的减小而变坏。2.5液滴接触角融化液滴一般需要经过碰撞、扩展、相互融合阶段，该过程是一个复杂的过程，受到浸润性、表面张力、粘性力的因素的影响。【17】如果是喷射成形，液滴在基体铺展主要经历液滴迅速铺展、铺展到最大、收缩震荡、平衡过程。到达平衡状态后，由于液体的内聚力以及固液体间附着力的存在，液滴在基体上呈现出不同的浸润状态，其状体可用液滴接触角来衡量。（a）浸润性好（b）浸润性差2.6熔池收缩形变在成形过程中，熔池由液体凝固成固体的过程中会发生收缩，收缩时受到层间应力的影响，两打印层之间由于受力不同而发生翘曲变形，使成形件发生尺寸和形状位置偏差。另外，由于温差变化，会使得这个熔池的体积收缩产生内应力，对后续加工带来了影响。2.7热处理过程经3DP技术直接成形的加工件在表面粗糙度、力学性能等方面表现较差，通常在直接成形后对成形件进行热处理。金属成形件在热处理过程中会发生相变，通过设置合理的热加工工艺参数使待成形件微观组织向着所希望的方向发生相变，以此来改善加工件的物理和化学性能。【22】3基体质量研究/缺陷3.1球化现象在成形过程中，如果经激光融化后的金属液滴不能均匀地铺展于前一层，而是形成大量彼此隔离的金属球，这种现象被称为SLM过程的球化现象。【2.1】如图所示。球化现象可沿着扫描方向以及垂直于扫描方向产生。如果粉末铺层太厚或者脉冲频率不足等因素导致本层粉末没有完全融化，熔化了的液滴没能与基体连接，在扫描过后，融化液滴冷却形成碗状熔池，形成球状，这张方式会在扫描方向产生球化现象。如果粉末铺层太薄或者脉冲频率太高等因素导致本层粉末完全融化穿透本层粉末的同时，底层基体被再次融化，形成下熔池，上下熔池由于冷却条件存在重大差异，熔池在凝固时上下发生断裂，机体会有效限制下熔池进一步球化，但是上熔池会在发生球化，这种方式会在垂直于扫描方向上产生球化现象。产生球化的原因主要是吉布斯自由能的能量最低原理。金属熔池凝固过程中，在表面张力的作用下，熔池形成球形以降低其表面能。球化现象在3DP成形技术中普遍存在。由于金属粉末融化形成球状凸起，并且球体之间还分布大小不同的间隙，使得新成形表面非常粗糙，阻碍扑粉装置的运动，并且极容易刮伤金属表面。【2】3.2间隙问题/致密度问题正如上图所示，很显而易见，由于球状凸起之间存在着大小不同的间隙，这些间隙的存在降低了成形件的致密性，容易产生缝隙腐蚀；在温度发生变化时，由于空隙的存在使得热胀冷缩的机理更加明显，容易使成形件空隙扩张出现宏观裂缝，降低了成形件的力学性能。改变打印参数（脉冲频率、扫描速率等）也会使成形件的致密度发生变化。3.3表面粗糙度/阶梯效应在3DP技术中，最重要的一个问题就是表面质量。由于3DP技术是采用逐层堆积融化的方式进行成形的。对于长方体部分打印效果比较理想，但是在遇有斜面弯曲面部分，在逐层堆积的时候就会形成类似于台阶一样的凸起，即阶梯效应。表现在宏观上就是表面粗糙度问题，因此需要改进方法尽量消除阶梯效应对于表面粗糙度带来的影响。3.4误差累计现象在逐层打印过程中，由于打印参数、成形材料、打印头的抖动等因素的影响，每一层都会产生一定的误差，随着打印层数的增加，这种误差被逐渐放大，会使打印基体的表面出现小凹槽或者小突起，在边界部位出现流料或露白现象。消除这种误差累计现象的关键就是严格控制打印参数、选择合适的成形材料、对成形材料和打印头进行固定，以提高每一层的打印质量，使误差累计效果变小。【12】3.5气孔夹杂现象由于搭接率过小、未采用错层打印、脉冲频率过大、打印头太低等因素的影响，会使成形基体中出现气孔和夹杂等缺陷，影响打印基体的力学性能及耐腐蚀性。温度较低、液相占比小、搭接率过小以及未采用错层打印等，在逐层打印时凹槽未能浸润而形成孔洞，另外也会在打印线最后部位还会出现凝固收缩孔洞；【20】脉冲频率过大以及打印头过低等因素，在打印头扫描时由于冲击力而使成形材料飞溅，而带入其他杂质出现夹杂现象。3.6翘曲变形在结构比较细小的部位，当温度发生变化时，由于成形件内应力的作用，常常会出现不同程度不同程度的收缩，就会形成翘曲变形缺陷。当发生翘曲变形时，如果不进行及时的纠正，就会阻碍铺粉滚子的运动，甚至成形件由于滚子的施力而发生严重的整体位移，进一步扩大了该缺陷。【21】3.7裂纹3DP技术中，裂纹通常出现在树枝晶的晶界，成形过程伴随着热量的变化，成形材料由固体融化成液体再凝固成固体，然后冷却到室温。这个过程中，熔覆层组织在凝固温度区间晶界处残余液相手熔覆层拉应力作用导致液膜分离【27】，相邻两层打印层之间存在体积收缩，当收缩应力超过材料的强度极限时就会形成裂纹，属于热裂纹范畴。此外，成形材料夹杂、浸润性不同也是成形基体产生裂纹的重要因素。【24】4基体质量改善与控制4.1选择合适的成形材料和粘结剂不同的成形材料在融化和凝固时，受动力学和热力学规律的影响，部分成形体会出现球化、间隙等缺陷。而不同的成形方法也应该选择相对应的成形材料，并对成形材料利用化学分析仪进行化学检测分析，同时还需要检测成形材料的休止角来评估其流动性，采用扫描电镜图片统计测试法对粉末粒度进行测试。4.2成形材料添加剂成形材料的成分对于成形件的强度、精度、可靠性和表面粗糙度都有着较大的影响。为了选择打印质量最好的成形材料添加剂，往往需要对各种材料、各种比例进行大量的实验分析。OlgaIvanova等【29】将金属、陶瓷和碳纳米材料相结合运用在AM技术中，发现纳米材料的添加可以明显影响到成形件的性能。另外可以选用带限制的混料均匀设计方法，建立非线性回归模型对配比进行分析优化，选择最佳配比方案。【18】如果选用合金还需要分析相应的冶金机理。【2.2】4.3STL文件缺陷修复STL文件是CAD系统与3DP系统之间数据转换的接口文件。CAD模型一般由多张曲面片拼接而成，在拼接过程中会出现法向反向、孔洞、面片重叠以及多边共线等缺陷，这会影响后续的三