重磅干貨：激光束熔化（LBM）增材制造缺陷因素匯總

2020年4月，南極熊將發(fā)布以“如何把3D打印制造引入工業(yè)應(yīng)用生產(chǎn)”為主題的重磅系列干貨研究報(bào)告，非常專(zhuān)業(yè)，讓你了解這個(gè)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的難點(diǎn)、方法、竅門(mén)。

原內(nèi)容出自：歐洲耗時(shí)兩年、耗資210萬(wàn)歐元的研究項(xiàng)目《AM 4 Industry》
譯者：北京化工大學(xué)英藍(lán)實(shí)驗(yàn)室  吳懷松、何其超、程月、王皓宇、張秀、劉俊豐

報(bào)告第一篇《激光束熔化（LBM）增材制造缺陷因素》

激光束熔化（LBM）增材制造缺陷因素分析

激光熔化 (簡(jiǎn)稱(chēng)LBM，Laser beam melting，使用激光作為能源，對(duì)粉末材料、線材等形態(tài)的金屬、高分子聚合物等照射，產(chǎn)生高溫而使得材料融化成液態(tài)) 是一項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù)，因此產(chǎn)生的組件質(zhì)量取決于各種參數(shù). 本研究的目的一方面是對(duì)LBM工藝過(guò)程中可能出現(xiàn)的工藝偏差和可能產(chǎn)生的部件缺陷進(jìn)行概述，另一方面是對(duì)LBM工藝中最關(guān)鍵的誤差進(jìn)行評(píng)估。 我們仔細(xì)研究了由此產(chǎn)生的產(chǎn)品缺陷及其對(duì)組件質(zhì)量的影響。 結(jié)果應(yīng)表明它們對(duì)零件質(zhì)量有多大影響。



△激光束熔化（LBM）增材制造缺陷目錄，包括識(shí)別過(guò)程偏差、零件和材料缺陷（幾何偏差、表面質(zhì)量、孔隙率、飛濺物內(nèi)容物）、制造缺陷等。

1 激光熔化的識(shí)別過(guò)程偏差

為了識(shí)別激光熔化期間可能出現(xiàn)的故障，仔細(xì)檢查了機(jī)器、材料、過(guò)程和人員等主要錯(cuò)誤來(lái)源。

概述如圖1所示。

△圖 1：偏差來(lái)源

由于某些錯(cuò)誤非常少見(jiàn)（例如剩余氧氣和激光功率或波長(zhǎng)太高/太低，聚焦或x / y位置不好，振鏡掃描儀系統(tǒng)太快/太慢），因此只有那些發(fā)生的機(jī)會(huì)較高和中等原因被考慮在內(nèi)。 該分析基于FOTEC的2011年第一代EOS M280機(jī)器模型。

圖2顯示了機(jī)器上的常見(jiàn)偏差。 發(fā)生幾率較高的那些用紅色標(biāo)記，發(fā)生中度機(jī)會(huì)的那些用橙色標(biāo)記。

△圖 2：誤差來(lái)源-詳細(xì)信息

通過(guò)實(shí)施過(guò)程監(jiān)測(cè)(層監(jiān)測(cè)和熔池監(jiān)測(cè)系統(tǒng))，通�？梢栽谶^(guò)程中發(fā)現(xiàn)一些錯(cuò)誤。圖2所示的基于重新編碼的誤差可以通過(guò)粉層監(jiān)測(cè)來(lái)檢測(cè)，也可以通過(guò)基于參數(shù)的誤差(或熔池監(jiān)測(cè)來(lái)檢測(cè))。

除了這些，還有一些機(jī)器和流程錯(cuò)誤，在當(dāng)前的技術(shù)狀態(tài)下無(wú)法自動(dòng)檢測(cè)到這些錯(cuò)誤。但是，通過(guò)適當(dāng)?shù)念A(yù)處理、訓(xùn)練有素的工作人員和精心設(shè)計(jì)的工作流程，幾乎可以消除所有人為和材料錯(cuò)誤，以確保從開(kāi)始到結(jié)束的連續(xù)材料質(zhì)量。

盡管采取了所有這些措施，仍然可能出現(xiàn)錯(cuò)誤，例如 由于工藝穩(wěn)定性不足。 可能會(huì)導(dǎo)致零件缺陷和打印缺陷。 以下部分概述了最常見(jiàn)的常規(guī)零件和材料缺陷。 此后，討論了最常見(jiàn)的打印缺陷及其對(duì)零件質(zhì)量的影響。

2 零件和材料缺陷

激光熔化過(guò)程中最常見(jiàn)的錯(cuò)誤類(lèi)型是幾何偏差、表面質(zhì)量粗糙、粘結(jié)層錯(cuò)誤和孔隙率。

2.1幾何偏差

在激光熔化原料的分層固化過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生熱誘導(dǎo)的殘余應(yīng)力。 這些殘余應(yīng)力會(huì)由于收縮和變形而導(dǎo)致偏離標(biāo)稱(chēng)幾何形狀。 為了防止零件變形或從加底板上脫落，如圖3所示，可以對(duì)底板進(jìn)行預(yù)熱以降低溫度梯度。

除了減少變形之外，預(yù)熱還可以防止部件中應(yīng)力引起的微裂紋。 另外，通過(guò)使用合適的支撐結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)改善從部件到底板的散熱。 如果這些支撐結(jié)構(gòu)不能很好地適應(yīng)部件的幾何形狀，則部件可能會(huì)向上翹起，從而導(dǎo)致彎曲。 如果在激光熔化過(guò)程中發(fā)生這種情況，則3D打印機(jī)噴頭可能會(huì)與部件發(fā)生碰撞。 這可能導(dǎo)致工藝故障，甚至損壞3D打印機(jī)單元。

在激光熔化原料的分層固化過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生熱誘導(dǎo)的殘余應(yīng)力。 這些殘余應(yīng)力會(huì)由于收縮和變形而導(dǎo)致偏離標(biāo)稱(chēng)幾何形狀。 為了防止零件變形或從加底板上脫落，如圖3所示，可以對(duì)底板進(jìn)行預(yù)熱以降低溫度梯度。

除了減少變形之外，預(yù)熱還可以防止部件中應(yīng)力引起的微裂紋。 另外，通過(guò)使用合適的支撐結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)改善從部件到底板的散熱。 如果這些支撐結(jié)構(gòu)不能很好地適應(yīng)部件的幾何形狀，則部件可能會(huì)向上翹起，從而導(dǎo)致彎曲。 如果在激光熔化過(guò)程中發(fā)生這種情況，則3D打印機(jī)噴頭可能會(huì)與部件發(fā)生碰撞。 這可能導(dǎo)致工藝故障，甚至損壞3D打印機(jī)單元。

為了防止如圖4所示的后處理變形，建議在進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮筇幚砗髮⒘慵�與打印平臺(tái)分離。

△圖 4：與加工板分離時(shí)殘留應(yīng)力變得明顯

△圖 3分離零件和打印平臺(tái)（中間過(guò)程）

在激光熔化過(guò)程中，整層也有可能與固體材料分離。 這個(gè)宏觀缺陷稱(chēng)為分層（圖5）。 由于缺乏能量輸入，熔化不完全的顆粒會(huì)落入材料中對(duì)其造成污染，可能導(dǎo)致層粘結(jié)不足。 使用后熱處理無(wú)法消除分層。

△圖 5：宏觀分層

2.2  表面質(zhì)量
一方面，使用激光熔化制造的零件的表面質(zhì)量取決于加工參數(shù)。另一方面，制造空間中幾何圖形的對(duì)齊也會(huì)影響表面質(zhì)量。特別是，平行于或垂直于制造面板打印的表面通常比懸垂表面具有更好的質(zhì)量。懸垂的表面具有較大的粗糙度，因?yàn)楦�多的粉末顆粒附著在這些表面上。

△圖 6：粗糙度(AlSi10Mg)受建造方向影響

為了能夠在工業(yè)上使用激光熔化制造的零件，通常需要通過(guò)使用合適的精加工工藝降低表面粗糙度。

2.3 孔隙率

在激光熔化過(guò)程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)孔隙。 因此，很難達(dá)到百分之百的密度。圓形孔（通常是氣孔）和不規(guī)則形狀的孔（稱(chēng)為粘結(jié)缺陷）之間有區(qū)別。兩種類(lèi)型的缺陷都可以在圖7中的示例性顯微圖中看到，該缺陷是在能量輸入不足的情況下意外產(chǎn)生的。氣孔是通過(guò)從大氣中捕獲氣體或通過(guò)某些合金元素的蒸發(fā)而形成的。 氣孔是圓形的，通常是由于輸入到材料中的高能量而形成的。 它們?cè)诹慵�中的分布是隨機(jī)的，熔融不足缺陷是由于原料材料的熔融不足引起的。 對(duì)于易氧化的材料，氧化物會(huì)減少熔體的流動(dòng)，導(dǎo)致覆蓋不良，從而導(dǎo)致熔合缺陷。

△圖 7：AlSi10Mg測(cè)試樣品的微觀切片

2.4 飛濺
激光熔化過(guò)程中飛濺粒子的形成是一種固有的影響。通常，增加激光能量輸入會(huì)增加飛濺形成的強(qiáng)度。設(shè)計(jì)通過(guò)粉末床表面的惰性氣體流，以清除成型區(qū)域飛濺的顆粒，從而避免飛濺到部件和粉末床中。 根據(jù)顆粒沉積的位置，可能會(huì)發(fā)生兩種結(jié)果。 ①飛濺物沉積在一層內(nèi)的零件橫截面上會(huì)導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)缺陷。②當(dāng)粉末被重復(fù)使用時(shí)，粉末床中飛濺顆粒的累積逐漸改變了粉末性質(zhì)。

2.4.1部分熔化的飛濺物引起的微觀結(jié)構(gòu)缺陷
Ti6Al4V測(cè)試表明，夾雜飛濺物會(huì)極大地影響機(jī)械部件的質(zhì)量。即使有惰性氣體流，還是不可避免地會(huì)產(chǎn)生焊縫飛濺，這會(huì)在長(zhǎng)時(shí)間的打印工作過(guò)程中發(fā)生（請(qǐng)參見(jiàn)第3.3節(jié)）。 這可能是由于兩個(gè)原因共同導(dǎo)致的。①由于與激光熔化粉末相比，顆粒大小和形狀不同，焊渣會(huì)導(dǎo)致熔化不均勻，從而導(dǎo)致焊渣間隙甚至是氣孔（見(jiàn)圖1）16至圖21）。其次，局部惰性氣體流的阻塞會(huì)導(dǎo)致局部流擾動(dòng)，從而導(dǎo)致不合適的焊接氛圍。

2.4.2回收粉中的飛濺物

在Ti6Al4V的激光熔化處理過(guò)程中產(chǎn)生的飛濺顆粒的氧含量增加了8％，而氮含量增加了67％。大部分沉積的飛濺顆粒被回收并轉(zhuǎn)移到可重復(fù)使用的粉末中，以用于以后的制造工作。在這種特殊情況下，在隨后的篩分過(guò)程中，有82％的隔離飛濺粒子通過(guò)了75 μm篩孔。這種作用會(huì)導(dǎo)致粉末中的氧氣和氮?dú)庵饾u增加，這可能會(huì)超過(guò)規(guī)定的極限值，或損害零件的機(jī)械性能。

3制造缺陷

綜上所述，盡管通過(guò)過(guò)程監(jiān)控，適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，技術(shù)熟練的員工以及復(fù)雜的工作流共同努力避免錯(cuò)誤，但還是會(huì)出現(xiàn)制造缺陷。 根據(jù)FOTEC對(duì)EOS設(shè)備M280模型的當(dāng)前分析，制造缺陷通常會(huì)導(dǎo)致制造過(guò)程自動(dòng)停止. 這將導(dǎo)致廢品或部件不完整。有時(shí)，手動(dòng)停止該過(guò)程很有意義，以防止包含由惰性氣流干擾引起的焊接飛濺，因?yàn)檫@通常不會(huì)自動(dòng)停止3D打印過(guò)程。本研究還提到了以下缺陷：

• 打印過(guò)程中斷——如果打印頭碰撞導(dǎo)致樣品彎曲，則自動(dòng)停止。
• 打印完成后停止——萬(wàn)一發(fā)生打印頭碰撞，則自動(dòng)停止，樣品保持完好無(wú)損，并且可以繼續(xù)進(jìn)行加工。
• 焊接飛濺物包裹——惰性氣體噴嘴堵塞。
  

3．1 中途中斷打印
在最壞的情況下，由于零件彎曲，必須停止加工作業(yè)。這可能是由于打印頭與部件層的碰撞所致，部件層由于先前的暴露而彎曲，這些部件層由于部件區(qū)域的幾何穩(wěn)定性較弱而導(dǎo)致的熱應(yīng)力，或者通過(guò)沒(méi)有或缺少支撐件而引起。 較弱的支撐策略可能會(huì)導(dǎo)致支撐與零件之間或支撐與構(gòu)建平臺(tái)之間的接口中斷。 當(dāng)然，如果部件的幾何穩(wěn)定性較弱，則可能會(huì)在部件的最薄弱部分發(fā)生斷裂。

△圖 8：由于支撐方式薄弱，支撐和零件之間的接口破裂

3.2  打印件完成后有缺陷

△圖 9：由于支撐方式薄弱，支撐與構(gòu)建平臺(tái)之間的接口破裂

如果打印機(jī)噴頭與零件碰撞但它們沒(méi)有彎曲，則正常情況下可以繼續(xù)施工。 連續(xù)可以在打印機(jī)噴頭崩潰的同一層中，也可以在其上方的一層或兩層中進(jìn)行，以避免再次發(fā)生打印機(jī)噴頭碰撞。繼續(xù)加工作業(yè)后，如果暫停持續(xù)時(shí)間超過(guò)幾個(gè)小時(shí)，則通常在零件上可以看到暫停加工的痕跡。

△圖 10：暫停加工作業(yè)留下的痕跡

到目前為止，尚不清楚上述部件是否具有與無(wú)錯(cuò)誤生產(chǎn)的部件相同的機(jī)械穩(wěn)定性。本研究獲得的結(jié)果和下面概述的部分回答了這個(gè)問(wèn)題。

3.3 焊渣飛濺

需要更長(zhǎng)的施工時(shí)間，具體取決于材料、零件高度和零件體積，惰性氣體噴嘴有時(shí)會(huì)被焊接飛濺物和散落的粉末堵塞。如果發(fā)生這種情況，請(qǐng)留在零件的裸露層上，位置不要?jiǎng)�。這允許它們?cè)谡{(diào)整期間被集成到其余的零件層中，并避免了潛在的零件缺陷。

殘留的焊接飛濺物不一定會(huì)導(dǎo)致打印頭與零件碰撞并造成上述損壞。因此，在短時(shí)間內(nèi)人工暫停，清理惰性氣體噴嘴，以便繼續(xù)3d打印，防止被焊接飛濺物困住，這是一種可行的方法。

這種手動(dòng)停止或多或少會(huì)導(dǎo)致與暫停作業(yè)相同的零件屬性。 然而，我們還詳細(xì)研究了通過(guò)堵塞的惰性氣體噴嘴焊接飛濺物的集成如何影響部件性能。


4        暫停3D打印過(guò)程的影響
用Ti64（Ti6Al4V）拉伸樣品研究了較長(zhǎng)的暫停時(shí)間（導(dǎo)致出現(xiàn)如圖10所示的痕跡）對(duì)機(jī)械性能的影響。為了模擬打印暫停，打印過(guò)程在64毫米(包括4毫米支撐高度)的零件高度手動(dòng)停止，即在垂直排列的120毫米長(zhǎng)度的拉伸樣品的零件中間。 停止和繼續(xù)施工之間的時(shí)間間隔了10個(gè)小時(shí)。

3D打印后，將樣品進(jìn)行熱處理（800°C / 4h）。

在第一個(gè)測(cè)試中，繼續(xù)在手動(dòng)停止的同一層繼續(xù)加工。在第二個(gè)測(cè)試中，繼續(xù)在90微米以上的三層上進(jìn)行建筑，以模擬無(wú)法確定實(shí)際擋塊高度的打印頭碰撞。為了評(píng)估無(wú)差錯(cuò)加工作業(yè)的差異，在不中斷的情況下，對(duì)具有相同零件對(duì)齊方式的參考零件進(jìn)行了3D打印。


△圖 11：加工工作-調(diào)查中斷的影響

下圖顯示了拉伸測(cè)試的結(jié)果（根據(jù)ASTM E-8）（請(qǐng)參見(jiàn)圖12）。與參考組分相比，楊氏模量（E），屈服強(qiáng)度（Rp），極限強(qiáng)度（Rm）和斷裂伸長(zhǎng)率（A）幾乎沒(méi)有差異。 唯一顯著的區(qū)別是斷裂伸長(zhǎng)率的標(biāo)準(zhǔn)偏差。 在此，平均值低于參考值。 中斷的加工工作的標(biāo)準(zhǔn)偏差也是參考值的兩倍。

△圖 12：拉伸試驗(yàn)圖

研究惰性氣體流動(dòng)阻塞和焊渣Ti64（Ti6Al4V）夾雜的影響制作拉伸樣品。 它們與加工平臺(tái)水平對(duì)齊。 3D打印后，還對(duì)其進(jìn)行了熱處理（800°C / 4h）。通過(guò)用右半邊的膠帶覆蓋出氣口來(lái)模擬惰性氣流的阻塞。

△圖 13：加工工作–研究阻塞的惰性氣體流

根據(jù)ASTM E-8，堵塞的噴嘴樣品的拉伸測(cè)試結(jié)果實(shí)際上與開(kāi)放的噴嘴樣品有所不同其屈服強(qiáng)度(Rp)、極限強(qiáng)度(Rm)和斷裂伸長(zhǎng)率均低于開(kāi)放噴嘴試樣。在比較標(biāo)準(zhǔn)偏差時(shí)，阻塞噴嘴樣品的唯一明顯較高的值表示為斷裂伸長(zhǎng)率。


△圖 14：惰性氣體流向和堵塞的氣體出口噴嘴的面積

△圖 15：拉伸測(cè)試圖

CT分析再次顯示了樣品中的這些誤差。 將建筑平臺(tái)右側(cè)的樣本2和左側(cè)的樣本7分兩層進(jìn)行比較（頂部的153和297層是視覺(jué)缺陷區(qū)域）。 樣品2的幾乎每一層都顯示出焊接飛濺缺陷，而樣品7沒(méi)有顯示出缺陷。
FOTEC的層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也能識(shí)別焊接飛濺誤差。


△圖 23：頂部樣品7（左），樣品2（右）的153層

△圖 22頂部樣品7（左）的297層，樣品2（右）

熔池層監(jiān)控功能在整個(gè)加工平臺(tái)上每20 μm x 20 μm測(cè)量一次發(fā)出的光，并根據(jù)100 μm x 100 μm點(diǎn)的值計(jì)算平均值。它清楚地顯示了加工平臺(tái)右側(cè)的缺陷(較亮的區(qū)域)。在此，在隨后的圖中也顯示了圖22和圖23中CT分析之前的CT分析圖層。


△圖 24：FOTEC的熔池監(jiān)測(cè)(表層153層)

△圖 25：FOTEC的熔池監(jiān)控（頂面297層）

因此，熔池監(jiān)測(cè)可以用于檢測(cè)施工過(guò)程中的焊接飛濺夾雜故障。通過(guò)實(shí)施反射激光功率的限制，可以識(shí)別和記錄廢件/區(qū)域。

5 說(shuō)明
在本研究中，第1節(jié)和第2節(jié)給出了激光熔化過(guò)程中常見(jiàn)的誤差和工藝偏差。為了在很大程度上避免這些錯(cuò)誤，適當(dāng)?shù)念A(yù)處理、訓(xùn)練有素的人員和精心設(shè)計(jì)的工作流程是有幫助的。 然而，以下的加工缺陷可能會(huì)發(fā)生。

•中途停機(jī)-當(dāng)重新編碼器碰撞導(dǎo)致部件彎曲時(shí)，自動(dòng)停機(jī)裝置。
•打印完成后停機(jī)-自動(dòng)停止，在重新編碼碰撞，與零件保持完整，工件可以繼續(xù)。
•焊接飛濺夾雜物-通過(guò)阻塞的惰性氣體流動(dòng)噴嘴。

為了評(píng)估這些構(gòu)件缺陷，對(duì)拉伸樣品進(jìn)行了3D打印，并對(duì)這三個(gè)缺陷進(jìn)行了測(cè)試，并與過(guò)程監(jiān)控并行進(jìn)行了觀察。檢查了樣品（根據(jù)ASTM E-8）并獲得以下結(jié)果：
由于張力參數(shù)的細(xì)微差異，即使在大約十小時(shí)后，停頓與否相對(duì)不重要。 只有當(dāng)部件的質(zhì)量對(duì)斷裂伸長(zhǎng)率至關(guān)重要時(shí)，才需要對(duì)其進(jìn)行處理。 在這些情況下，重點(diǎn)應(yīng)該是優(yōu)化支撐和零件續(xù)點(diǎn)對(duì)齊，以防止重新編寫(xiě)器發(fā)生沖突(參見(jiàn)第4節(jié))。
•必須定期清潔氣嘴，以最大程度地減少由于焊渣的混入而導(dǎo)致的機(jī)械質(zhì)量明顯下降。
•熔池監(jiān)控，可以識(shí)別包含焊渣的零件/區(qū)域并進(jìn)行記錄。


研究背景

2020年3月，奧地利技術(shù)公司Ecoplus Plastics和Mechatronics Cluster公布了他們的一項(xiàng)研究結(jié)果，內(nèi)容主要是關(guān)于將增材制造應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的發(fā)現(xiàn)。兩年前，這兩家公司啟動(dòng)了這項(xiàng)耗資210萬(wàn)歐元的研究項(xiàng)目，稱(chēng)為“增材制造的工業(yè)4.0”（AM 4 Industry）。

項(xiàng)目目的是使企業(yè)能夠在把增材制造引入生產(chǎn)領(lǐng)域時(shí)，做出更明智的決策。研究表明，增材制造技術(shù)能否成功應(yīng)用于工業(yè)，主要取決于幾大關(guān)鍵因素：
●質(zhì)量特征的定義以及設(shè)計(jì)
●3D打印工藝的發(fā)展
●可靠的生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控
●合適的后處理指南
●合適的成本效益模型


該報(bào)告一共包括五個(gè)細(xì)分報(bào)告：
●激光束熔化（LBM）增材制造缺陷研究
●增材制造設(shè)計(jì)非常重要
●增材制造中的設(shè)計(jì)與流程相關(guān)注意事項(xiàng)
●實(shí)施增材制造工藝之前，做好質(zhì)量?jī)?yōu)化和成本分析
●應(yīng)用示例介紹OpenFoam®和chtMultiRegion


這項(xiàng)研究，南極熊認(rèn)為非常有價(jià)值，有利于激光熔化類(lèi)的3D打印企業(yè)深入展開(kāi)工業(yè)應(yīng)用，推動(dòng)我國(guó)智能制造的發(fā)展。

本報(bào)告的翻譯，得到北京化工大學(xué)英藍(lán)實(shí)驗(yàn)室  吳懷松、何其超、程月、王皓宇、張秀、劉俊豐等同學(xué)，和老師焦志偉的大力支持。正是由于這個(gè)也做3D打印相關(guān)研究的團(tuán)隊(duì)，付出了約1個(gè)月的時(shí)間和精力，本報(bào)告的中文版才得以問(wèn)世。南極熊特此感謝！