粉末床金屬3D打印成功率提高的要素研究

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打印技術的應用越來越廣泛，這其中工業級的粉末床金屬3D打印技術在航空航天、軍工、模具、醫療等領域的發展尤為迅速。但是，開發一個新零部件的金屬3D打印工藝過程中，出現打印失敗是較為常見的現象，對于結構復雜、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（數天）的大件，若出現打印失敗，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。盡管現在的粉末床金屬3D打印系統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境控制，設備的正確使用、工藝參數的控制以及對零部件優化設計等方面進行優化調整，將風險大大降低。在此，通過大量的應用實踐驗證，研究了一些提高打印成功率的關鍵要素，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不小于 99.9%，推薦優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。氣體供應不足導致打印過程出現暫停，若暫停時間較長后再續接，工件表面會留下因工件冷卻而產生的收縮痕跡。

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致材料力學性能異常、雜質元素含量超標、甚至引發火災等隱患。金屬3D設備應充分考慮安全性，通過軟件設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

尺寸較大、實體部分較多的零部件往往需要數天的打印時間，因此設備需要長期穩定的供電源。若電源不穩定，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據丟失，導致工件無法續接從而報廢。設備配備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，原因在于設備正常工作狀態功率通常達幾千瓦，大部分的UPS備用電源模塊電量不足以支撐設備較長時間運行，往往僅能維持數分鐘。因此，金屬3D設備須專門開發相應功能以應對突然斷電這種極端情況，如斷電位置保護，軟件數據防丟失、層掃描等。

2 設備相關要素

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。若風場設計不佳，則容易導致風場不均勻，從而導致打印件性能波動范圍較大。因此，金屬3D打印設備風場結構應保證均勻性、穩定性（見圖1）。

圖1 某款金屬打印設備風場控制示意圖

2.2 濾芯

循環風場將打印過程中產生的煙塵帶離成型腔室，經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致循環風量下降，風量不足會導致打印過程中產生的煙塵不能被及時帶走，散落在燒結平面上，從而會導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，及時的更換濾芯，良好的濾芯狀態是保障打印成功的關鍵要素之一。

圖2 循環過濾示意圖

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量的好壞，因此在燒結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量不佳，導致打印失敗的情況，鋪粉質量監控功能就十分必要。例如某設備配備機器視覺功能，可以實時監測每一層的鋪粉質量，并實現自動補粉（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 鋪粉質量檢測

2.4 基板

基板材質應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，在打印內應力較大的工件時容易發生變形?；迤矫娑纫残铦M足工藝要求，若不平整，則會導致鋪粉不均勻，在粉末與基板未完全焊合的區域冶金結合力較弱，隨著打印過程的進行，熱應力的逐漸累積，累積到一定程度時可導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，容易導致打印失敗?；逶谡窖b機使用前還應用酒精清除表面的雜質、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 某款打印設備成型腔室內部

設備成型腔室內需保證清潔，避免不同牌號或批次的粉末產生交叉污染，燒結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，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生衰減，從而到達燒結平面上能量不足，從而導致打印失敗。因此在打印前，需要將窗口鏡清理干凈。

3 粉末相關要素

粉末品質的好壞直接決定打印件的質量，在打印開始前需確認如下幾點：

（1）粉末供應量充足，減少或避免中途停機加粉；

（2）調整合適的供粉量。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象，智能供粉技術十分必要，其可根據工件不同高度特征自動調整供粉量，實現對粉末的高效利用。

（3）確保金屬粉末的牌號和化學成分應符合有關標準的規定，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，這些應根據工藝要求確定。使用過的粉末中混合有粒徑較大的或者非規則形狀顆粒（如圖7），需過篩后，經檢測符合要求時才允許重復或混合使用。

圖7 使用過的IN718粉末篩分出的雜質顆粒

（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、無腐蝕的環境下，粉末貯存應按照粉末供應商提供的環境條件要求執行，應采取必要措施，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 設計相關要素

4.1 零部件再優化設計

金屬3D打印有兩個工藝特征：傾斜面的臺階紋效應、懸空部位需要支撐結構輔助成型。支撐結構起到熱量傳遞，防止工件變形，以及穩定工件的作用，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，因此在設計時就需引入增材思維進行優化設計，避免出現應力過大的部位，避免出現大的水平懸空區域（如圖9），傾斜部位盡量增大傾斜角度實現自支撐（如圖10、圖11），工件與基板連接處增設倒圓角過渡等。

圖9 水平大懸空區域優化前后

圖10 傾斜部位增大傾斜角，減少臺階效應優化前后

圖11 自支撐結構設計優化前后

4.2 零件擺放

不同的擺放方式對打印件的質量有至關重要的影響，通過合理的擺放可以實現支撐量的最少化（如圖 12）?？傮w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)保證重要面打印質量；

(5)減少后處理 。

4.3 支撐設計

當零件經優化設計以及調整擺放方式后還不可避免需要使用支撐結構時，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 支撐強度不夠導致的工件變形

圖14 開瓶器支撐設計

4.4 排包布局

通過優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）當懸空結構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，若不能避免，此時即使該懸空結構的懸空角大于臨界懸空角，也應做支撐降低打印風險（如圖15）。

圖15 懸空結構擺放角度對比（Z向）

（2）避免部件與刮刀平行擺放，應繞 Z軸旋轉一定的角度，分散刮刀對工件的沖擊力。如果將部件與刮刀平行擺放，在發生形變時，刮刀將更難通過。繞Z軸旋轉部件，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，從而保證細小結構的質量（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生翹曲變形，刮刀與其發生了碰撞，即使部件或刮刀損壞，打印過程還是有可能繼續。當這種情況發生后，碰撞區域前后方的粉床造成破壞，留下鋪粉缺陷，因此該區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較近的位置，一般來說，靠近供粉側的粉床質量更好。當已經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)，設備要素（風場、濾芯、刮刀、基板、腔體），粉末要素（供給、篩分、儲存），設計要素（零部件增材思維再設計，擺放方向優化，支撐設計優化，模擬仿真、排包布局）等方面。這些都是在大量的應用實踐中摸索總結出來的經驗，并且在很多領域都已經有成功的案例（如圖19），效果也很顯著，可以為相關的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、材料、熱學等多學科交叉的新技術，對其打印成功率有影響的因素也十分復雜，對于具體的應用案例，還是要根據設備、材料、環境等實際情況，做具體的深入研究。