肖建軍 唐 平

（湖南華曙高科技有限責任公司 長沙410205）

近年來，3D打印技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，這其中工業(yè)級的粉末床金屬3D打印技術(shù)在航空航天、軍工、模具、醫(yī)療等領(lǐng)域的發(fā)展尤為迅速。但是，開發(fā)一個新零部件的金屬3D打印工藝過程中，出現(xiàn)打印失敗是較為常見的現(xiàn)象，對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、打印難度大的零部件，往往需要對打印工藝進行摸索，多次迭代更新設(shè)計，才能最終打印出合格的零部件。對于一些打印時間較長（數(shù)天）的大件，若出現(xiàn)打印失敗，其所造成的損失是巨大的，如耗費機器打印時間、浪費粉末、延遲交付等。盡管現(xiàn)在的粉末床金屬3D打印系統(tǒng)存在打印失敗的風險，但是在諸多情況下，可以通過對建造過程的環(huán)境控制，設(shè)備的正確使用、工藝參數(shù)的控制以及對零部件優(yōu)化設(shè)計等方面進行優(yōu)化調(diào)整，將風險大大降低。在此，通過大量的應(yīng)用實踐驗證，研究了一些提高打印成功率的關(guān)鍵要素，以及常見的打印失敗案例，供大家參考。

1 輔助配套要素

1.1 惰性氣體

粉末床金屬3D打印過程中需要在惰性氣體（氮氣、氬氣）保護下進行，惰性保護氣體純度應(yīng)不小于 99.9%，推薦優(yōu)先使用氬氣作為保護氣體。由于不同材料的活性存在差異，需正確使用不同的保護氣體類型（見表1），同時還需要保證充足的氣體供應(yīng)。氣體供應(yīng)不足導(dǎo)致打印過程出現(xiàn)暫停，若暫停時間較長后再續(xù)接，工件表面會留下因工件冷卻而產(chǎn)生的收縮痕跡。

表1 常見金屬粉末惰性氣體使用類型

氣體類型使用錯誤可能會導(dǎo)致材料力學(xué)性能異常、雜質(zhì)元素含量超標、甚至引發(fā)火災(zāi)等隱患。金屬3D設(shè)備應(yīng)充分考慮安全性，通過軟件設(shè)置與惰性氣體類型鎖定以及軟件信息提示、機械鎖等多重手段確保使用安全。

1.2 電源供應(yīng)

尺寸較大、實體部分較多的零部件往往需要數(shù)天的打印時間，因此設(shè)備需要長期穩(wěn)定的供電源。若電源不穩(wěn)定，突然斷電造成的停機，會對工件帶來一定程度的不利影響，同時還有可能造成數(shù)據(jù)丟失，導(dǎo)致工件無法續(xù)接從而報廢。設(shè)備配備UPS備用電源模塊可以部分解決該問題，但是并不能解決根本問題，原因在于設(shè)備正常工作狀態(tài)功率通常達幾千瓦，大部分的UPS備用電源模塊電量不足以支撐設(shè)備較長時間運行，往往僅能維持數(shù)分鐘。因此，金屬3D設(shè)備須專門開發(fā)相應(yīng)功能以應(yīng)對突然斷電這種極端情況，如斷電位置保護，軟件數(shù)據(jù)防丟失、層掃描等。

2 設(shè)備相關(guān)要素

2.1 風場

惰性保護氣體在風機作用下，以一定的速度吹過成型腔室打印區(qū)域上方，形成風場以保障打印過程的順利進行，惰性保護氣體風場的主要作用有四點：防火防爆、防止粉末氧化、及時帶走煙塵以及維持成型腔室清潔。若風場設(shè)計不佳，則容易導(dǎo)致風場不均勻，從而導(dǎo)致打印件性能波動范圍較大。因此，金屬3D打印設(shè)備風場結(jié)構(gòu)應(yīng)保證均勻性、穩(wěn)定性（見圖1）。

圖1 某款金屬打印設(shè)備風場控制示意圖

2.2 濾芯

循環(huán)風場將打印過程中產(chǎn)生的煙塵帶離成型腔室，經(jīng)過濾芯后再重新返回成型腔（如圖2），濾芯長時間工作后表面會粘附非常多的煙塵顆粒，過濾阻力變大從而導(dǎo)致循環(huán)風量下降，風量不足會導(dǎo)致打印過程中產(chǎn)生的煙塵不能被及時帶走，散落在燒結(jié)平面上，從而會導(dǎo)致打印件孔隙率升高，性能下降，情況嚴重時還會造成工件表面凸起、卡刮刀、工件報廢等情況。因此，開機前尤其是打印耗時長的工件時必須確認濾芯的狀態(tài)，及時的更換濾芯，良好的濾芯狀態(tài)是保障打印成功的關(guān)鍵要素之一。

圖2 循環(huán)過濾示意圖

2.3 刮刀

打印過程中激光每掃描完一層后成型缸便下降一個層厚，然后由刮刀將新供給的粉末均勻地鋪在成型面上，刮刀狀況直接決定鋪粉質(zhì)量的好壞，因此在燒結(jié)前需要仔細檢查刮刀條的磨損情況，是否存在缺口等狀況。此外還需要保證整個刮刀部件的清潔，若刮刀部件上殘留有未清理干凈的粉末，則有可能在刮刀運動過程中掉落在粉面上，激光掃過時形成凸起，從而造成卡刮刀、打印暫停、工件報廢等（如圖3）。為了減少刮刀損壞等情況造成鋪粉質(zhì)量不佳，導(dǎo)致打印失敗的情況，鋪粉質(zhì)量監(jiān)控功能就十分必要。例如某設(shè)備配備機器視覺功能，可以實時監(jiān)測每一層的鋪粉質(zhì)量，并實現(xiàn)自動補粉（如圖 4）。

圖3 工件翹曲變形損壞刮刀后造成的鋪粉缺陷

圖4 鋪粉質(zhì)量檢測

2.4 基板

基板材質(zhì)應(yīng)與所打印材料具有良好的冶金相容性，基板厚度須滿足工藝要求，基板厚度較薄，在打印內(nèi)應(yīng)力較大的工件時容易發(fā)生變形?；迤矫娑纫残铦M足工藝要求，若不平整，則會導(dǎo)致鋪粉不均勻，在粉末與基板未完全焊合的區(qū)域冶金結(jié)合力較弱，隨著打印過程的進行，熱應(yīng)力的逐漸累積，累積到一定程度時可導(dǎo)致工件與基板的分離。

基板表面需要合適的粗糙度，通常通過手工砂紙打磨或者是做噴砂處理（如圖5），若表面太光滑，則前幾層的鋪粉不均勻，容易導(dǎo)致打印失敗。基板在正式裝機使用前還應(yīng)用酒精清除表面的雜質(zhì)、油污等附著物。

圖5 基板表面砂紙打磨

2.5 成型腔室（如圖6）

圖6 某款打印設(shè)備成型腔室內(nèi)部

設(shè)備成型腔室內(nèi)需保證清潔，避免不同牌號或批次的粉末產(chǎn)生交叉污染，燒結(jié)前需要將激光窗口鏡等部件擦拭干凈。在打印過程中，會從熔池噴射出飛濺物顆粒，這些飛濺物大部分會被惰性保護氣體帶走，少部分會殘留在成型腔內(nèi)，若激光窗口鏡上粘附了一些飛濺物，激光穿透這層粘附物時能量發(fā)生衰減，從而到達燒結(jié)平面上能量不足，從而導(dǎo)致打印失敗。因此在打印前，需要將窗口鏡清理干凈。

3 粉末相關(guān)要素

粉末品質(zhì)的好壞直接決定打印件的質(zhì)量，在打印開始前需確認如下幾點：

（1）粉末供應(yīng)量充足，減少或避免中途停機加粉；

（2）調(diào)整合適的供粉量。為了避免供粉量少時未能鋪滿整個平面以及供粉量多時造成粉末浪費的現(xiàn)象，智能供粉技術(shù)十分必要，其可根據(jù)工件不同高度特征自動調(diào)整供粉量，實現(xiàn)對粉末的高效利用。

（3）確保金屬粉末的牌號和化學(xué)成分應(yīng)符合有關(guān)標準的規(guī)定，如粒度分布、流動性、氧含量、球形率、松裝密度、空心粉率等性能指標，這些應(yīng)根據(jù)工藝要求確定。使用過的粉末中混合有粒徑較大的或者非規(guī)則形狀顆粒（如圖7），需過篩后，經(jīng)檢測符合要求時才允許重復(fù)或混合使用。

圖7 使用過的IN718粉末篩分出的雜質(zhì)顆粒

（4）當粉末種類較多時，需做好粉末管理。粉末宜使用密閉、防靜電、阻燃的容器存放在干燥、陰涼、無腐蝕的環(huán)境下，粉末貯存應(yīng)按照粉末供應(yīng)商提供的環(huán)境條件要求執(zhí)行，應(yīng)采取必要措施，防止粉末在使用、貯存、運輸、篩分、清理等過程中被污染（如圖8）。

圖8 未妥善存儲的316L粉末打印后開裂

4 設(shè)計相關(guān)要素

4.1 零部件再優(yōu)化設(shè)計

金屬3D打印有兩個工藝特征：傾斜面的臺階紋效應(yīng)、懸空部位需要支撐結(jié)構(gòu)輔助成型。支撐結(jié)構(gòu)起到熱量傳遞，防止工件變形，以及穩(wěn)定工件的作用，后期需要通過機加或人工的方式去除。由于粉末床金屬3D打印有如上工藝特性，因此在設(shè)計時就需引入增材思維進行優(yōu)化設(shè)計，避免出現(xiàn)應(yīng)力過大的部位，避免出現(xiàn)大的水平懸空區(qū)域（如圖9），傾斜部位盡量增大傾斜角度實現(xiàn)自支撐（如圖10、圖11），工件與基板連接處增設(shè)倒圓角過渡等。

圖9 水平大懸空區(qū)域優(yōu)化前后

圖10 傾斜部位增大傾斜角，減少臺階效應(yīng)優(yōu)化前后

圖11 自支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化前后

4.2 零件擺放

不同的擺放方式對打印件的質(zhì)量有至關(guān)重要的影響，通過合理的擺放可以實現(xiàn)支撐量的最少化（如圖 12）。總體來說，工件擺放時需綜合考慮以下幾點：

圖12 不同擺方向所需支撐示意圖

(1)方便清粉；

(2)盡可能少支撐；

(3)盡量縮短打印時間；

(4)保證重要面打印質(zhì)量；

(5)減少后處理 。

4.3 支撐設(shè)計

當零件經(jīng)優(yōu)化設(shè)計以及調(diào)整擺放方式后還不可避免需要使用支撐結(jié)構(gòu)時，需要考慮的要素有以下幾點：支撐類型合適、強度足夠、去除便捷、清粉便捷等（如圖13、圖14）。

圖13 支撐強度不夠?qū)е碌墓ぜ冃?/p>

圖14 開瓶器支撐設(shè)計

4.4 排包布局

通過優(yōu)化部件在打印平臺上的布局，可以盡量減少打印失敗，以下介紹一些排包布局的小技巧：

（1）當懸空結(jié)構(gòu)生長方向與刮刀運動方向相反時，刮刀與工件輪廓的摩擦將會加劇工件邊緣翹曲，導(dǎo)致打印失敗的風險上升，因此如有可能盡量避免這種情況出現(xiàn)，若不能避免，此時即使該懸空結(jié)構(gòu)的懸空角大于臨界懸空角，也應(yīng)做支撐降低打印風險（如圖15）。

圖15 懸空結(jié)構(gòu)擺放角度對比（Z向）

（2）避免部件與刮刀平行擺放，應(yīng)繞 Z軸旋轉(zhuǎn)一定的角度，分散刮刀對工件的沖擊力。如果將部件與刮刀平行擺放，在發(fā)生形變時，刮刀將更難通過。繞Z軸旋轉(zhuǎn)部件，避免刮刀行進路線上有長且平坦的薄壁。由于形變通常出現(xiàn)在部件邊緣特別是尖角處，最好讓刮刀先通過尖角再通過其它部分，而不是同時通過長且平坦、帶有兩個尖角的薄壁。這能夠減小碰撞的幾率，從而保證細小結(jié)構(gòu)的質(zhì)量（如圖16）。

圖16 工件擺放角度對比（X-Y向）

（3）避免工件在刮刀行進路線上前后擺放，如果某一零件打印失敗發(fā)生翹曲變形，刮刀與其發(fā)生了碰撞，即使部件或刮刀損壞，打印過程還是有可能繼續(xù)。當這種情況發(fā)生后，碰撞區(qū)域前后方的粉床造成破壞，留下鋪粉缺陷，因此該區(qū)域的工件也會打印失敗。因此，如果可行，在打印平臺上擺放部件時，盡量使工件在刮刀行進路線上前后擺放，在一些打印風險較高的工件前后方最好不要放置工件（如圖17）。

圖17 多個工件擺放布局對比（X-Y向）

（4）將高度較高的工件擺放到距離供粉側(cè)較近的位置，一般來說，靠近供粉側(cè)的粉床質(zhì)量更好。當已經(jīng)完成了小部件的打印，打印平臺中只剩下最長的部件時，將其擺放在距離供粉側(cè)最近的位置有利于減少鋪粉量。這避免了一些打印過程中可能需要補粉的情況（如圖18）。

圖18 高度不同工件擺放位置對比（Z向）

5 結(jié)語

粉末床金屬3D打印成功率主要在輔助配套要素(氣源、電源)，設(shè)備要素（風場、濾芯、刮刀、基板、腔體），粉末要素（供給、篩分、儲存），設(shè)計要素（零部件增材思維再設(shè)計，擺放方向優(yōu)化，支撐設(shè)計優(yōu)化，模擬仿真、排包布局）等方面。這些都是在大量的應(yīng)用實踐中摸索總結(jié)出來的經(jīng)驗，并且在很多領(lǐng)域都已經(jīng)有成功的案例（如圖19），效果也很顯著，可以為相關(guān)的3D打印研究提供一些參考與借鑒。

圖19 打印成功過的案例

當然，粉末床金屬3D打印是一項涉及機械、電氣、光學(xué)、材料、熱學(xué)等多學(xué)科交叉的新技術(shù)，對其打印成功率有影響的因素也十分復(fù)雜，對于具體的應(yīng)用案例，還是要根據(jù)設(shè)備、材料、環(huán)境等實際情況，做具體的深入研究。