金屬3D打印機(jī)是對(duì)金屬粉末作選擇性燒結(jié)層積。目前的燒結(jié)熱源以激光束型和電子束型兩種方式為主流。兩種方式的輸出功率和掃描速度不同，而導(dǎo)致層積面整體是否會(huì)一層一層預(yù)熱的巨大差異。預(yù)熱與否會(huì)影響殘余應(yīng)力和粉末去除性，也會(huì)改變?cè)佻F(xiàn)目標(biāo)形狀的程度。讓我們來看看從事金屬部件受托加工業(yè)務(wù)的金屬技研的驗(yàn)證結(jié)果。

　　金屬技研導(dǎo)入了激光束式“EOSINT M280”（德國(guó)EOS公司）和電子束式“Arcam A2X”（瑞典Arcam公司）兩種方式的金屬3D打印機(jī)。作為近凈成形部件加工的加工裝置，在研究開發(fā)中使用。

　　這兩種方式的最大造型尺寸基本相同，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，電子束式則高達(dá)8000m/s，差距巨大。電子束式是利用掃描速度的優(yōu)勢(shì)，造型時(shí)在一層一層掃描造型臺(tái)作整體預(yù)熱（提高金屬粉末的溫度）后，再開始燒結(jié)截面形狀的系統(tǒng)。

　　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的層積厚度為30μm或60μm，Arcam A2X為50μm。

　　是否預(yù)熱結(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，必要的支撐體＊2的貼附情況有所不同。這是因?yàn)?，不做預(yù)熱的激光束式的溫差會(huì)變大，導(dǎo)致殘余應(yīng)力升高，造型品要承受這種殘余應(yīng)力。因要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)變得相當(dāng)大。這樣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)用手稍微掰一下，或用鉗子稍微擰一下就能去除”（金屬技研技術(shù)本部技術(shù)中心次長(zhǎng)山本泰弘）。

　　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(shì)。但激光束式也有優(yōu)點(diǎn)。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)”。利用激光束式時(shí)造型范圍以外的部分可以直接作為粉末取出，而電子束式由于做了預(yù)熱，整個(gè)造型臺(tái)上的粉末都變成了輕微凝固的狀態(tài)。

　　這種變成假燒結(jié)狀態(tài)的多余部分可以用噴砂清理去除，但噴不到的部分就難以去除。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。

　　用獨(dú)有的造型樣品進(jìn)行確認(rèn)

　　為調(diào)查粉末去除性等會(huì)對(duì)實(shí)際造型物的精度和形狀再現(xiàn)性產(chǎn)生什么影響，金屬技研用這兩種方式的3D打印機(jī)打印了Ti-6Al-4V的造型樣品并作了比較（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(duì)孔和棒的直徑以及層積方向的角度等進(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)整層積條件可以改善，只不過是個(gè)參考值”。

　　圖3：外觀形狀的結(jié)果

　　測(cè)量造型樣品的尺寸，與設(shè)計(jì)值進(jìn)行了比較。還測(cè)量了表面粗糙度。設(shè)計(jì)尺寸參照?qǐng)D2的正射圖。

　　下面來看一下對(duì)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(duì)形狀的再現(xiàn)性均有擅長(zhǎng)和不擅長(zhǎng)的部分。（圖由《日經(jīng)制造》根據(jù)金屬技研的資料制作）

　?。?）極限造型角度方面，經(jīng)確認(rèn)，所有裝置在相對(duì)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。

　?。?）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”（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(yōu)勢(shì)。以圓棒為例，激光束式針對(duì)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(duì)這種細(xì)薄形狀進(jìn)行細(xì)長(zhǎng)造型時(shí)，在層積方向的高度方面，電子束式比較占優(yōu)勢(shì)。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。

　?。?）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(duì)較小，再現(xiàn)性更出色。（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。金屬技研公司通過在高溫環(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(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)方向均朝著層積造型方向生長(zhǎng)。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。金屬技研公司實(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。

　　以上介紹了金屬技研公司針對(duì)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層積條件下實(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)層積條件”。