时间: 2024-07-21 23:51:06 | 作者: 安博app官方网站安卓版
金屬３D打印機是對金屬粉末作選擇性燒結層積。现在的燒結熱源以激光束型和電子束型兩種方法為干流。兩種方法的輸出功率和掃描速度不同，而導致層積面整體是否會一層一層預熱的巨大差異。預熱與否會影響殘余應力和粉末去除性，也會改變再現目標形狀的程度。讓我們來看看從事金屬部件受托加工業務的金屬技研的驗証結果。
金屬技研導入了激光束式“EOSINT M280”（德國EOS公司）和電子束式“Arcam A2X”（瑞典Arcam公司）兩種方法的金屬3D打印機。作為近淨成形部件加工的加工裝置，在研讨開發中运用。
這兩種方法的最大造型尺度根本相同，均為250mm見方，最小層積厚度也都在50μm＊1左右。其大的不同在於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3500W，掃描速度方面，激光束式為7m/s，電子束式則高達8000m/s，距离巨大。電子束式是使用掃描速度的優勢，造型時在一層一層掃描造型台作整體預熱（进步金屬粉末的溫度）后，再開始燒結截面形狀的系統。
激光束式不實施預熱，電子束式實施預熱。由此，殘余應力的巨细和造型物以外的粉末狀態會發生變化，造型后的工序各有利弊。（圖由《日經制造》根據金屬技研的資料制造）
首要，必要的支撐體＊2的貼附情況不一样。這是因為，不做預熱的激光束式的溫差會變大，導致殘余應力升高，造型品要接受這種殘余應力。因要將支撐體牢牢貼附在榜首層接觸的基底上，支撐體的尺度會變得相當大。這樣從基底移除支撐體時比較困難，因而造型后需求通過機械加工等做最终的處理。
＊2 支撐资料：為避免造型品的自重等形成目標形狀變形而附加的部分。需求在造型后去除。
而電子束式的溫差小，殘余應力低，因而僅用支撐凹槽部分的支撐體就可彻底造型。“貼附用手就能彎曲的薄支撐體造型即可，去除時用手略微掰一下，或用鉗子略微擰一下就能去除”（金屬技研技術本部技術中心次長山本泰弘）。
如上所述，從支撐體（殘余應力）來看，電子束式比較佔優勢。但激光束式也有優點。那就是粉末去除性。
實際上，預熱后金屬粉末會“變成類似假燒結的狀態”（山本）。使用激光束式時造型范圍以外的部分能够直接作為粉末取出，而電子束式由於做了預熱，整個造型台上的粉末都變成了輕微凝结的狀態。
這種變成假燒結狀態的剩余部分能够用噴砂整理去除，但噴不到的部分就難以去除。擁有復雜電路的部件存在無法彻底去除剩余部分的問題。
為調查粉末去除性等會對實際造型物的精度和形狀再現性產生什麼影響，金屬技研用這兩種方法的3D打印機打印了Ti-6Al-4V的造型樣品並作了比較（圖2）。為確認以下六點，專門設計了樣品。這六點包含：（1）假如沒有支撐體，造型時的最大坍毁视点是的多大（極限造型视点）、（2）能再現多小的橫孔（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。
為確認形狀再現的極限，准備了對孔和棒的直徑以及層積方向的视点等進行了改變的樣品。在沒有支撐體的情況下打印了該形狀。（圖由《日經制造》根據金屬技研的資料制造）
打印的樣品形狀的相片見圖3。從設計尺度來看，尺度為20mm和30mm的部分，精度在0.1mm以下，而尺度為105mm（樣品寬度）的部分，產生了0.3mm以上的誤差。這個結果比目錄參數稍差一些，不過“通過調整層積條件能改进，隻不過是個參考值”（山本）。
測量造型樣品的尺度，與設計值進行了比較。還測量了外表粗糙度。設計尺度參照圖2的正射圖。（圖由《日經制造》根據金屬技研的資料制造）
激光束式和電子束式對形狀的再現性均有擅長和不擅長的部分。（圖由《日經制造》根據金屬技研的資料制造）
（1）極限造型视点方面，經確認，一切裝置在相對於水平面約30度的视点下都發生形狀坍塌。40度時沒有發生，因而低於40度的视点應該需求用支撐體造型。
（2）橫孔方面，在激光束式中，φ（直徑）為0.5mm的孔出現變形，但φ為1～10mm能够再現孔的形狀，並去除粉末。
而在電子束式中，φ為0.5～8mm的孔就堵死了。這是因為，預熱導致假燒結，實施噴砂整理時，小直徑的孔噴不到。“假如是直線形狀，用鐵絲等捅一捅就能去除粉末。不過，假如是冷卻水管等形狀復雜的構造部件，應該很難去除粉末”（山本）。
（3）圓棒的最小直徑和（4）板的最薄厚度方面，激光束式比較有優勢。以圓棒為例，激光束式針對φ0.3mm的設計值能再現φ0.29mm的圓棒，而電子束式在設計值為φ0.3mm和φ0.5mm時，都是再現φ0.75mm的圓棒。估計是因為激光束式不會出現假燒結，所以僅掃描的部分幾乎彻底正確地進行了燒結。
不過，對這種細薄形狀進行細長造型時，在層積方向的高度方面，電子束式比較佔優勢。使用激光束式進行薄板造型的話，厚度為0.3mm時最大隻能造型7.3mm的高度。估計是因為，造型中的殘余應力導致變形，形成了層間錯位。
（5）縫隙部分和邊緣部分的形狀方面，實際的造型物均比設計值稍窄一些，其间激光束式的误差相對較小，再現性更超卓。（6）銳角部分的形狀也是激光束式的形狀再現性更優異，而電子束式沒有因為變形導致形狀坍塌。
上面介紹了使用3D打印機造型的立體模型的形狀再現性，接下來看一下立體模型的機械強度。金屬技研公司通過在高溫環境下施加高壓氣體的HIP處理，驗証了特性變化。
近年的金屬3D打印機通過进步粉末的品質和熱源的輸出等，大幅度进步了立體模型的密度。不過，立體模型仍然會殘留细小的氣泡（氣孔）。該公司觀察截面發現，“造型后出現了多個20μm以下的氣孔”（山本）。
該公司通過HIP處理擠破了這些氣孔。實施密度測量確認，密度有所改进＊3。機械強度方面，經過HIP處理后，拉伸強度有所下降，不過斷裂伸長率得到必定的改进。激光束式和電子束式在實施HIP處理前和處理后“都實現了比作為一般鈦64銷售的板材優異的值”（山本）。
＊3 觀察截面組織發現，由於激光束式不進行預熱就造型，因而溫度變化比較剧烈，從組織上來看，形狀與實施溶體化和時效處理后的組織十分挨近。而電子束式由於實施了預熱，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層積造型方向生長。由於通過HIP處理進行了加熱，二者整體都變成了針狀組織。
通過HIP處理有望大幅改进的是疲勞強度。金屬技研公司實施旋轉彎曲疲勞試驗發現，激光束式和電子束式都通過HIP處理进步了疲勞極限（圖5）。
激光束式的疲勞強度（應力振幅）稍高一些。不過，通過實施HIP處理，疲勞強度大幅度进步，二者根本相同了。（圖由《日經制造》根據金屬技研的資料制造）
具體而言，從實施107次疲勞試驗后的應力振幅（疲勞強度）來看，激光束式單體（造型后的狀態）的應力振幅為360～370MPa，電子束式單體約為250MPa，而經過HIP處理后確認，強度都进步到了600MPa。
以上介紹了金屬技研公司針對金屬3D打印機的形狀再現性和機械強度實施驗証的結果。這些驗証仅仅該公司在现在擁有的層積條件下實施的。山本表明，“為了實現更超卓的造型，往后還將大力開發層積條件”。（作者：中山力，日經技術在線！供稿）
