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,目前主流的燒結(jié)熱源有兩種,即采用激光束的方式和采用電子束的方式。兩種方式的輸出功率和掃描速度各不相同,這與積層面整體是否是一層一層預(yù)熱密切相關(guān)。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。
日前有研究機(jī)構(gòu)對基于激光束和電子束的金屬3D打印技術(shù)進(jìn)行了對比研究,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),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,均為250mm見方,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。輸出功率方面,激光束式為400W,而電子束式高達(dá)3500W,掃描速度方面,激光束式為7m/s,而電子束式高達(dá)8000m/s,二者差距巨大。電子束式利用掃描速度的優(yōu)勢,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,再開始燒結(jié)截面形狀。
*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,Arcam A2X為200×200×380mm,EOSINT M280的積層厚度為30μm或60μm,Arcam A2X為50μm。
預(yù)熱與否結(jié)果大不相同
那么,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)。
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,電子束式實(shí)施預(yù)熱。由此,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,造型后的工序各有利弊。
首先,所需支撐體*2的貼附情況有所不同。這是因?yàn)?,不?shí)施預(yù)熱的激光束式的溫差會(huì)變大,導(dǎo)致殘余應(yīng)力升高,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,支撐體的尺寸會(huì)相當(dāng)大。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。
*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。需要在造型后去除。
而電子束式的溫差小,殘余應(yīng)力低,因此僅用支撐凹槽部分的支撐體就完全可以造型。“貼附用手就能彎曲的薄支撐體造型即可,去除時(shí)用手稍微彎一下,或用鉗子稍微擰一下就能去除”。
如上所述,從支撐體(殘余應(yīng)力)來看,電子束式比較占優(yōu)勢,不過激光束式也有優(yōu)勢。那就是粉末去除性。
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)”。利用激光束式的話,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,造型臺(tái)整體的粉末為略微凝固的狀態(tài)。
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。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。
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)。為確認(rèn)以下六點(diǎn),專門設(shè)計(jì)了樣品。這六點(diǎn)包括:(1)如果沒有支撐體,造型時(shí)的最大倒塌角度是的多大(極限造型角度)、(2)能再現(xiàn)多小的橫孔(橫孔形狀、粉末去除性)、(3)圓棒的最小直徑和高度、(4)板的最薄厚度和高度、(5)縫隙部分和邊緣部分的形狀、(6)銳角部分的形狀。
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,準(zhǔn)備了對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。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。從設(shè)計(jì)尺寸來看,尺寸為20mm和30mm的部分,精度在0.1mm以下,而尺寸為105mm(樣品寬度)的部分,產(chǎn)生了0.3mm以上的誤差。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,只不過是個(gè)參考值”。
圖3:外觀形狀的結(jié)果
測量造型樣品的尺寸,與設(shè)計(jì)值進(jìn)行了比較。還測量了表面粗糙度。設(shè)計(jì)尺寸參照圖2的正射圖。
下面來看一下對這六點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證的結(jié)果(圖4)。
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形狀的再現(xiàn)性均有擅長和不擅長的部分。
(1)極限造型角度方面,經(jīng)確認(rèn),所有裝置在相對于水平面約30度的角度下都發(fā)生形狀崩塌。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。
(2)橫孔方面,在激光束式中,φ(直徑)為0.5mm的孔出現(xiàn)變形,但φ為1~10mm可以再現(xiàn)孔的形狀,并去除粉末。
而在電子束式中,φ為0.5~8mm的孔就堵死了。這是因?yàn)?,預(yù)熱導(dǎo)致假燒結(jié),實(shí)施噴砂清理時(shí),小直徑的孔噴不到。“如果是直線形狀,用鐵絲等捅一捅就能去除粉末。不過,如果是冷卻水管等形狀復(fù)雜的構(gòu)造部件,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,激光束式比較有優(yōu)勢。以圓棒為例,激光束式針對φ0.3mm的設(shè)計(jì)值能再現(xiàn)φ0.29mm的圓棒,而電子束式在設(shè)計(jì)值為φ0.3mm和φ0.5mm時(shí),都是再現(xiàn)φ0.75mm的圓棒。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)。
不過,對這種細(xì)薄形狀進(jìn)行細(xì)長造型時(shí),在積層方向的高度方面,電子束式比較占優(yōu)勢。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。估計(jì)是因?yàn)?,造型中的殘余?yīng)力導(dǎo)致變形,造成了層間錯(cuò)位。
(5)縫隙部分和邊緣部分的形狀方面,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較小,再現(xiàn)性更出色。#p#分頁標(biāo)題#e#
(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。
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,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,驗(yàn)證了特性變化。
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。不過,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),“造型后出現(xiàn)了多個(gè)20μm以下的氣孔”。
該公司通過HIP處理擠破了這些氣孔。實(shí)施密度測量確認(rèn),密度有所改善*3。機(jī)械強(qiáng)度方面,經(jīng)過HIP處理后,拉伸強(qiáng)度有所降低,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”。
*3 觀察截面組織發(fā)現(xiàn),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,形狀與實(shí)施溶體化和時(shí)效處理后的組織非常接近。而電子束式由于實(shí)施了預(yù)熱,組織形狀看上去像是混合了針狀組織一樣。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,二者整體都變成了針狀組織。
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),激光束式和電子束式都通過HIP處理提高了疲勞極限(圖5)。
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,通過實(shí)施HIP處理,疲勞強(qiáng)度大幅提高,二者基本相同了。
具體而言,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,電子束式單體約為250MPa,而經(jīng)過HIP處理后確認(rèn),強(qiáng)度都提高到了600MPa。
以上介紹了研究機(jī)構(gòu)公司針對金屬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。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,“為了實(shí)現(xiàn)更出色的造型,今后還將大力開發(fā)積層條件”。
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