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)應用生產”為主題的重磅系列干貨研究報告，非常專業(yè)，讓你了解這個技術產業(yè)化應用的難點、方法、竅門。

原內容出自：歐洲耗時兩年、耗資210萬歐元的研究項目《AM 4 Industry》
譯者：北京化工大學英藍實驗室  吳懷松、何其超、程月、王皓宇、張秀、劉俊豐

報告第一篇《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 (簡稱LBM，Laser beam melting，使用激光作為能源，對粉末材料、線材等形態(tài)的金屬、高分子聚合物等照射，產生高溫而使得材料融化成液態(tài)) 是一項復雜的技術，因此產生的組件質量取決于各種參數(shù). 本研究的目的一方面是對LBM工藝過程中可能出現(xiàn)的工藝偏差和可能產生的部件缺陷進行概述，另一方面是對LBM工藝中最關鍵的誤差進行評估。 我們仔細研究了由此產生的產品缺陷及其對組件質量的影響。 結果應表明它們對零件質量有多大影響。



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

1 激光熔化的識別過程偏差

為了識別激光熔化期間可能出現(xiàn)的故障，仔細檢查了機器、材料、過程和人員等主要錯誤來源。

概述如圖1所示。

△圖 1：偏差來源

由于某些錯誤非常少見（例如剩余氧氣和激光功率或波長太高/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)生的機會較高和中等原因被考慮在內。 該分析基于FOTEC的2011年第一代EOS M280機器模型。

圖2顯示了機器上的常見偏差。 發(fā)生幾率較高的那些用紅色標記，發(fā)生中度機會的那些用橙色標記。

△圖 2：誤差來源-詳細信息

通過實施過程監(jiān)測(層監(jiān)測和熔池監(jiān)測系統(tǒng))，通常可以在過程中發(fā)現(xiàn)一些錯誤。圖2所示的基于重新編碼的誤差可以通過粉層監(jiān)測來檢測，也可以通過基于參數(shù)的誤差(或熔池監(jiān)測來檢測)。

除了這些，還有一些機器和流程錯誤，在當前的技術狀態(tài)下無法自動檢測到這些錯誤。但是，通過適當?shù)念A處理、訓練有素的工作人員和精心設計的工作流程，幾乎可以消除所有人為和材料錯誤，以確保從開始到結束的連續(xù)材料質量。

盡管采取了所有這些措施，仍然可能出現(xiàn)錯誤，例如 由于工藝穩(wěn)定性不足。 可能會導致零件缺陷和打印缺陷。 以下部分概述了最常見的常規(guī)零件和材料缺陷。 此后，討論了最常見的打印缺陷及其對零件質量的影響。

2 零件和材料缺陷

激光熔化過程中最常見的錯誤類型是幾何偏差、表面質量粗糙、粘結層錯誤和孔隙率。

2.1幾何偏差

在激光熔化原料的分層固化過程中，會產生熱誘導的殘余應力。 這些殘余應力會由于收縮和變形而導致偏離標稱幾何形狀。 為了防止零件變形或從加底板上脫落，如圖3所示，可以對底板進行預熱以降低溫度梯度。

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

在激光熔化原料的分層固化過程中，會產生熱誘導的殘余應力。 這些殘余應力會由于收縮和變形而導致偏離標稱幾何形狀。 為了防止零件變形或從加底板上脫落，如圖3所示，可以對底板進行預熱以降低溫度梯度。

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

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

△圖 4：與加工板分離時殘留應力變得明顯

△圖 3分離零件和打印平臺（中間過程）

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

△圖 5：宏觀分層

2.2  表面質量
一方面，使用激光熔化制造的零件的表面質量取決于加工參數(shù)。另一方面，制造空間中幾何圖形的對齊也會影響表面質量。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量。懸垂的表面具有較大的粗糙度，因為更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

在激光熔化過程中不可避免地會出現(xiàn)孔隙。 因此，很難達到百分之百的密度。圓形孔（通常是氣孔）和不規(guī)則形狀的孔（稱為粘結缺陷）之間有區(qū)別。兩種類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生的。氣孔是通過從大氣中捕獲氣體或通過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。 它們在零件中的分布是隨機的，熔融不足缺陷是由于原料材料的熔融不足引起的。 對于易氧化的材料，氧化物會減少熔體的流動，導致覆蓋不良，從而導致熔合缺陷。

△圖 7：AlSi10Mg測試樣品的微觀切片

2.4 飛濺
激光熔化過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增加飛濺形成的強度。設計通過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，可能會發(fā)生兩種結果。 ①飛濺物沉積在一層內的零件橫截面上會導致微觀結構缺陷。②當粉末被重復使用時，粉末床中飛濺顆粒的累積逐漸改變了粉末性質。

2.4.1部分熔化的飛濺物引起的微觀結構缺陷
Ti6Al4V測試表明，夾雜飛濺物會極大地影響機械部件的質量。即使有惰性氣體流，還是不可避免地會產生焊縫飛濺，這會在長時間的打印工作過程中發(fā)生（請參見第3.3節(jié)）。 這可能是由于兩個原因共同導致的。①由于與激光熔化粉末相比，顆粒大小和形狀不同，焊渣會導致熔化不均勻，從而導致焊渣間隙甚至是氣孔（見圖1）16至圖21）。其次，局部惰性氣體流的阻塞會導致局部流擾動，從而導致不合適的焊接氛圍。

2.4.2回收粉中的飛濺物

在Ti6Al4V的激光熔化處理過程中產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移到可重復使用的粉末中，以用于以后的制造工作。在這種特殊情況下，在隨后的篩分過程中，有82％的隔離飛濺粒子通過了75 μm篩孔。這種作用會導致粉末中的氧氣和氮氣逐漸增加，這可能會超過規(guī)定的極限值，或損害零件的機械性能。

3制造缺陷

綜上所述，盡管通過過程監(jiān)控，適當?shù)念A處理，技術熟練的員工以及復雜的工作流共同努力避免錯誤，但還是會出現(xiàn)制造缺陷。 根據(jù)FOTEC對EOS設備M280模型的當前分析，制造缺陷通常會導致制造過程自動停止. 這將導致廢品或部件不完整。有時，手動停止該過程很有意義，以防止包含由惰性氣流干擾引起的焊接飛濺，因為這通常不會自動停止3D打印過程。本研究還提到了以下缺陷：

• 打印過程中斷——如果打印頭碰撞導致樣品彎曲，則自動停止。
• 打印完成后停止——萬一發(fā)生打印頭碰撞，則自動停止，樣品保持完好無損，并且可以繼續(xù)進行加工。
• 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)定性較弱而導致的熱應力，或者通過沒有或缺少支撐件而引起。 較弱的支撐策略可能會導致支撐與零件之間或支撐與構建平臺之間的接口中斷。 當然，如果部件的幾何穩(wěn)定性較弱，則可能會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，支撐與構建平臺之間的接口破裂

如果打印機噴頭與零件碰撞但它們沒有彎曲，則正常情況下可以繼續(xù)施工。 連續(xù)可以在打印機噴頭崩潰的同一層中，也可以在其上方的一層或兩層中進行，以避免再次發(fā)生打印機噴頭碰撞。繼續(xù)加工作業(yè)后，如果暫停持續(xù)時間超過幾個小時，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錯誤生產的部件相同的機械穩(wěn)定性。本研究獲得的結果和下面概述的部分回答了這個問題。

3.3 焊渣飛濺

需要更長的施工時間，具體取決于材料、零件高度和零件體積，惰性氣體噴嘴有時會被焊接飛濺物和散落的粉末堵塞。如果發(fā)生這種情況，請留在零件的裸露層上，位置不要動。這允許它們在調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導致打印頭與零件碰撞并造成上述損壞。因此，在短時間內人工暫停，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。

這種手動停止或多或少會導致與暫停作業(yè)相同的零件屬性。 然而，我們還詳細研究了通過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打印過程的影響
用Ti64（Ti6Al4V）拉伸樣品研究了較長的暫停時間（導致出現(xiàn)如圖10所示的痕跡）對機械性能的影響。為了模擬打印暫停，打印過程在64毫米(包括4毫米支撐高度)的零件高度手動停止，即在垂直排列的120毫米長度的拉伸樣品的零件中間。 停止和繼續(xù)施工之間的時間間隔了10個小時。

3D打印后，將樣品進行熱處理（800°C / 4h）。

在第一個測試中，繼續(xù)在手動停止的同一層繼續(xù)加工。在第二個測試中，繼續(xù)在90微米以上的三層上進行建筑，以模擬無法確定實際擋塊高度的打印頭碰撞。為了評估無差錯加工作業(yè)的差異，在不中斷的情況下，對具有相同零件對齊方式的參考零件進行了3D打印。


△圖 11：加工工作-調查中斷的影響

下圖顯示了拉伸測試的結果（根據(jù)ASTM E-8）（請參見圖12）。與參考組分相比，楊氏模量（E），屈服強度（Rp），極限強度（Rm）和斷裂伸長率（A）幾乎沒有差異。 唯一顯著的區(qū)別是斷裂伸長率的標準偏差。 在此，平均值低于參考值。 中斷的加工工作的標準偏差也是參考值的兩倍。

△圖 12：拉伸試驗圖

研究惰性氣體流動阻塞和焊渣Ti64（Ti6Al4V）夾雜的影響制作拉伸樣品。 它們與加工平臺水平對齊。 3D打印后，還對其進行了熱處理（800°C / 4h）。通過用右半邊的膠帶覆蓋出氣口來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試結果實際上與開放的噴嘴樣品有所不同其屈服強度(Rp)、極限強度(Rm)和斷裂伸長率均低于開放噴嘴試樣。在比較標準偏差時，阻塞噴嘴樣品的唯一明顯較高的值表示為斷裂伸長率。


△圖 14：惰性氣體流向和堵塞的氣體出口噴嘴的面積

△圖 15：拉伸測試圖

CT分析再次顯示了樣品中的這些誤差。 將建筑平臺右側的樣本2和左側的樣本7分兩層進行比較（頂部的153和297層是視覺缺陷區(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沒有顯示出缺陷。
FOTEC的層監(jiān)測系統(tǒng)也能識別焊接飛濺誤差。


△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)控功能在整個加工平臺上每20 μm x 20 μm測量一次發(fā)出的光，并根據(jù)100 μm x 100 μm點的值計算平均值。它清楚地顯示了加工平臺右側的缺陷(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(表層153層)

△圖 25：FOTEC的熔池監(jiān)控（頂面297層）

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

5 說明
在本研究中，第1節(jié)和第2節(jié)給出了激光熔化過程中常見的誤差和工藝偏差。為了在很大程度上避免這些錯誤，適當?shù)念A處理、訓練有素的人員和精心設計的工作流程是有幫助的。 然而，以下的加工缺陷可能會發(fā)生。

•中途停機-當重新編碼器碰撞導致部件彎曲時，自動停機裝置。
•打印完成后停機-自動停止，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-通過阻塞的惰性氣體流動噴嘴。

為了評估這些構件缺陷，對拉伸樣品進行了3D打印，并對這三個缺陷進行了測試，并與過程監(jiān)控并行進行了觀察。檢查了樣品（根據(jù)ASTM E-8）并獲得以下結果：
由于張力參數(shù)的細微差異，即使在大約十小時后，停頓與否相對不重要。 只有當部件的質量對斷裂伸長率至關重要時，才需要對其進行處理。 在這些情況下，重點應該是優(yōu)化支撐和零件續(xù)點對齊，以防止重新編寫器發(fā)生沖突(參見第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致的機械質量明顯下降。
•熔池監(jiān)控，可以識別包含焊渣的零件/區(qū)域并進行記錄。


研究背景

2020年3月，奧地利技術公司Ecoplus Plastics和Mechatronics Cluster公布了他們的一項研究結果，內容主要是關于將增材制造應用于工業(yè)生產中的發(fā)現(xiàn)。兩年前，這兩家公司啟動了這項耗資210萬歐元的研究項目，稱為“增材制造的工業(yè)4.0”（AM 4 Industry）。

項目目的是使企業(yè)能夠在把增材制造引入生產領域時，做出更明智的決策。研究表明，增材制造技術能否成功應用于工業(yè)，主要取決于幾大關鍵因素：
●質量特征的定義以及設計
●3D打印工藝的發(fā)展
●可靠的生產過程監(jiān)控
●合適的后處理指南
●合適的成本效益模型


該報告一共包括五個細分報告：
●激光束熔化（LBM）增材制造缺陷研究
●增材制造設計非常重要
●增材制造中的設計與流程相關注意事項
●實施增材制造工藝之前，做好質量優(yōu)化和成本分析
●應用示例介紹OpenFoam®和chtMultiRegion


這項研究，南極熊認為非常有價值，有利于激光熔化類的3D打印企業(yè)深入展開工業(yè)應用，推動我國智能制造的發(fā)展。

本報告的翻譯，得到北京化工大學英藍實驗室  吳懷松、何其超、程月、王皓宇、張秀、劉俊豐等同學，和老師焦志偉的大力支持。正是由于這個也做3D打印相關研究的團隊，付出了約1個月的時間和精力，本報告的中文版才得以問世。南極熊特此感謝！