取材自engineering.com的文章7 Issues to Look Out for in Metal 3D Printing,作者是Michael Molitch-Hou

 

背景

 

粉末床融合(powder bed fusion)是金屬3D列印的主流,其中選擇性雷射熔融(SLM)技術的雷射或者電子束製造(EBM)技術的電子束等能量源將金屬粉末的顆粒由點到面一層層的融合在一起,直到印出整個物件,而這些粉末床融合系統都有控制能量源及粉末分佈的機制。

 

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粉末床融合系統的示意圖(照片來源Wikipedia

 

另外,直接能量沉積(DED)技術及黏著劑噴射技術也可以用來3D列印金屬物件,當使用DED的時候,粉末或金屬線原料被導向能量源,當使用黏著劑噴射技術的時候,液態黏著劑被噴印在金屬粉末上,然後再移去熱處理及在爐中燒結。

 

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DED技術的不同構形(照片來源Wikipedia

 

在金屬3D列印過程中,可能會發生機器操作員極力避免的許多問題,包括多孔性、殘餘應力、密度、捲翹、龜裂及表面光滑化(Surface finish)

 

表面光滑化

 

3D列印金屬零件在展示或者裝到引擎的燃料室之前早已經進行CNC切削、珠擊或噴砂等大量的後加工,這是因為3D列印出來的金屬物件在表面光滑化之前,呈現波紋狀態。

 

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EBM技術3D列印得到的Ti-6Al-4V鈦合金支架,切削前後的狀態(照片來源NASA

 

因為製程本質使然,以DED製得的零件必須經過CNC切削才能接近最終形狀,而粉末床融合法得到的零件在印出來的時候就有點接近最終形狀,但表面仍然呈現粗燥狀態,必須使用更細的粉末顆粒及更小的層厚度才能改善。

 

但這樣一來,材料的成本就會提高,因此必須在表面光滑化與成本之間進行取捨。因為粉末床融合法得到的所有零件必須在後加工過程中精製到符合規格,有時候為了符合經濟效益會使用較大粒徑的粉末,可見對金屬3D列印而言,表面光滑化沒有比其他問題來得重要,因為不論最終產品光不光滑,都需要經過某些程度的後加工。

 

孔隙度

 

當物件在列印時,如果本體內產生非常小的孔洞就會造成多孔性,這可能是由3D列印製程本身,甚至製程中使用的粉末造成的,這些微小的孔洞會使零件的整體密度降低,並且可能導致龜裂及疲勞。

 

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在光學顯微鏡下,可以看到製程誘發多孔性及氣體誘發多孔性(照片來源International Materials Review

 

在粉末微粒化的過程中,粉末原料可能會形成氣泡,並轉移到最終的印物中,因此要向有信譽的供應商購買原料。

 

零件內的孔洞更常在3D列印過程中形成,例如粉末供應不足、雷射強度太低,都可能使金屬顆粒無法適度融合。另一方面,如果粉末供應過量,可能會發生噴濺現象,也就是熔融的金屬自熔漿池飛出並落在鄰近的區域。

 

當粉末顆粒比零件的層厚度來的大,或者粉末的包裝太過鬆散,都有可能形成孔洞。另外,如果熔融的金屬無法適當地流動到它該在的位置,也會形成孔洞。

 

為了處理這些問題,大多數的機器操作員基本上都會針對所用的材料及列印工作來調整設備的條件,例如雷射的能量、光點尺寸及形狀等設備參數必須針對所用的材料及列印工作進行調整,直到多孔性降低最低。

 

在粉末床融合法中,多孔性也可以利用雷射的島狀掃描模式來降低,這種棋盤式圖案有交替的單方向掃描,利用熱的分配來降低溫度梯度。

 

SLM中,雷射的形狀可以調整以降低噴濺,一種所謂的脈衝塑形可以將熔漿區逐漸的加熱。對EBM而言,粉末顆粒可能會因為電荷的關係而從粉末床噴出,這可以利用快速掃描列印床及以擴散光束進行粉末的預融合來降低。

 

Forecast 3D疊加金屬/DMLS實驗室主管Jim Gaffney就降低多孔性提出以下的建議SLM而言,零件密度要能大於99%,可以藉由高品質原料、適當的列印條件及環境控制良好的實驗室來達成,熱壓處理之類的後加工可以去除最終零件中殘餘的孔洞。

 

另外,也可以用其他材料(例如青銅)滲入粉末床融合零件,但是使用輔助材料當然會影響主要金屬的化學性質,並且會對零件原先設定的應用造成潛在的干擾。

 

密度

 

零件的密度和孔隙度成反比,零件孔洞越多,其緻密性越差,也就越容易經歷疲勞且在壓力下越容易龜裂。對嚴苛的應用而言,零件的密度經常要大於99%

 

除了經由上述的方法控制零件的孔隙度之外,粒徑分佈也有助於增加零件的密度。球形顆粒不但能增加粉末的流動性,也可以改善密度。另外,較寬廣的粒徑分佈可以讓細顆粒填滿大顆粒間的空隙,因而提高密度,但負面效應是降低了粉末的流動性。

 

流動性是確保粉末均勻、緻密堆疊的要件,並且會影響3D列印零件的孔隙度及密度。層的堆疊越緊密,最後得到的物件就越緻密且較少孔隙。

 

卡內基梅隆大學機械工程系教授暨CMU NextManufacturing Center主管Jack Beuth針對金屬3D列印零件在界定與孔隙度及密度有關的參數做出以下的闡述:當製造商生產的零件在應用的時候會受到循環(疲勞)負載,那維持最高密度(即最低孔隙度)就是件很重要的事。經由我們在NextManufacturing Center所做的研究,證明不同來源造成的孔隙度可以經由調控疊加製造的製程參數加以控制及有效消除。沒有任何一種製程在避免多孔性方面,比其他製程來的高明,但每一種製程都可以藉由製程參數的組合使孔隙度降低。

 

殘留應力

 

殘留應力是金屬3D列印過程中,發生加熱及冷卻、膨脹與收縮的結果。當殘留應力超過列印材料或基材的抗拉強度時,就會產生缺陷,例如零件的龜裂或基材的捲翹。

 

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鈦零件在粉末床融合過程中,因為累積的殘留應力而自建造板剝離(照片來源Penn State CIMP-3D

 

殘留應力最大的地方是在列印零件與基材的交界處,零件中央處比較屬於壓縮應力,而邊緣處則比較偏向拉伸應力。

 

支撐結構的建立是為了降低一些殘留應力,因為它們會有比基材為高的溫度,一旦零件移除之後,應力就得到釋放,但過程中零件可能會變形。

 

勞倫斯利佛摩國家實驗室(Lawrence Livermore National Laboratory)研究人員表示,減少殘留應力的方法之一是降低雷射掃描向量長度,而不依賴連續雷射掃描,以控制溫度的變動。

 

減少殘留應力的另一種方法是將基材施以熱處理,並在列印材料還沒被能量源擊中之前先將其加熱。因為使用較低的操作溫度,基材的預熱比較適用EBM,而不那麼適用SLMDED

 

3D列印服務及軟體公司Materialise的金屬3D列印技術經理Ingo Uckelmann表示,必須在三個不同的階段控制金屬3D列印零件中的殘留應力,也就是數據準備、實際列印過程及列印完成等三個階段。在數據準備階段,我們使用MaterialiseMagics來選擇最適化的方位,以防止捲翹或者與應力有關的變形;Magics也有助於零件穩定地固定在建造平台上,以及使用足夠的支撐結構以有效傳導熱量。支撐結構在金屬3D列印過程中扮演兩種不同的重要角色,一方面要抵消製程中產生的應力以固定零件,另一方面也要移除製程中產生的熱,以免局部溫度過高造成表面性質及機械性質變差,Magics使用專利混合支撐結構來調和這兩種角色。在列印過程中,我們使用機器溝通軟體Materialise Build Processor將零件分為外殼及核心兩部分,並以不同的掃描策略進行建造,Build Processor也可以指定不同的掃描策略給不同種類的支撐結構,例如支撐結構可以每次掃描兩層,以加速掃描過程並降低應力。列印完畢之後,再上第三層以避免發生與應力有關的變形。我們對所有的3D列印金屬都實施熱處理。

 

龜裂

 

除了自零件內的孔洞裂開之外,熔融金屬在固化的時候或者在區域再加熱的期間,也可能發生龜裂,如果能量源太強,固化過程可能會產生應力。

 

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粉末床製程中應力造成金屬棒的龜裂

 

分層(Delamination)也可能發生,並造成層間的龜裂,當粉末未充分熔化或者熔漿下方的層再熔化,就可能造成分層。某些龜裂可以經由後加工修復,但不適用於分層,它必須以加熱基材的方式克服。

 

龜裂及其對零件性能的影響不限於疊加製造,傳統的鑄造法及其他的金屬加工法也有同樣的問題。Beuth表示有支撐的合金系統在疊加製造時通常不會發生龜裂,但是當使用者嘗試以不具支撐、較脆、難以熔接的合金製造組件時,就可能發生龜裂的問題。和孔隙度的控制類似,加工過程的龜裂可以利用調控製程參數來降低或消除。至於組件使用期間所造成的龜裂,例如疲勞負載,調控疊加製造的製程參數大致可以控制這些缺陷,但必須注意的是,不需要消除零件的所有孔洞或缺陷,而是要知道會存在什麼樣的孔洞或缺陷,如果對此有信心,那工程師在設計組件的時候就可以納入考量,這樣一來依然可以製得可信賴、安全的零件。

 

捲翹

 

為了確保列印工作一開始就很順利,印物的前幾層必須和基材充分融合,列印完成之後再利用CNC切削將基材移除,但是如果基材的熱應力超過基材的強度,那基材就會發生捲翹,最後會使零件本身也發生捲翹,並使粉末刮板撞擊到零件。

 

Met-l-flo Inc總裁暨疊加製造標準ASTM F42委員會主席Carl Dekker解釋為什麼會產生這種現象,在製程中你要處理許多熱因子,當材料有不同厚度的時候,情況變得更為複雜,所以會遭遇額外的應力。另外也有許多快速發生的狀態變化,有時候零件可能自支撐物剝離,但有些時候拉扯力是作用在列印台,並造成平台的扭轉,使得物件不是以你預期的方式建造,這時候就必須鬆開機器的平台或者進行二次加工

 

因此,為了防止捲翹,必須在對的位置設置理想數量的支撐結構,這通常必須針對每一態樣進行反覆測試才能確定,幸好現在已可利用軟體來模擬,例如3DSIM的預覽列印軟體。

 

其他問題

 

金屬3D列印過程也可能產生其他問題,例如隆起(Swelling)或熔漿結球(melt balling),隆起是指固化的金屬從粉末豎起,而熔漿結球則是指熔漿固化成球形而非正常的層狀,這是熔漿的表面張力所造成的問題,並且可以藉著將熔漿池的長度對直徑比控制在低於2:1而得到減緩。

 

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上圖左方顯示熔漿結球,右方為分層

 

當金屬合金暴露在氧氣及水氣下,可能會改變其組成,例如Ti-6Al-4V鈦的氧增加時,鋁含量就會減少,這在金屬粉末被回收的時候特別明顯,回收也會讓金屬顆粒變得比較不圓,而降低流動性。

 

列印過程也可能發生金屬合金組成的改變,金屬合金是由多種金屬結合(所謂的合金化)而成,其中熔點較低的金屬在列印過程中可能會蒸發,以航太業3D列印常用的金屬Ti-6Al-4V為例,鈦的熔點比鋁高很多,材料的組成在列印過程中就可能發生變化。

 

如何優化金屬3D列印

 

如何避免金屬3D列印的相關問題仍然需要許多製程知識及反覆測試,每一種幾何形狀都需要不同的機器參數,這也強迫機器操作員要多次列印同一零件,以克服捲翹、龜裂及孔隙度等問題,完成之後,零件還要經過測試以確保符合適當的標準。

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