重磅干货：激光金属3D打印缺陷因素汇总

原内容出自：欧洲耗时两年、耗资210万欧元的研究项目《AM 4 Industry》
译者：北京化工大学英蓝实验室 吴怀松、何其超、程月、王皓宇、张秀、刘俊丰，指导老师焦志伟。

报告第一篇《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 (简称LBM，Laser beam melting，使用激光作为能源，对粉末材料、线材等形态的金属、高分子聚合物等照射，产生高温而使得材料融化成液态) 是一项复杂的技术，因此产生的组件质量取决于各种参数. 本研究的目的一方面是对LBM工艺过程中可能出现的工艺偏差和可能产生的部件缺陷进行概述，另一方面是对LBM工艺中最关键的误差进行评估。我们仔细研究了由此产生的产品缺陷及其对组件质量的影响。结果应表明它们对零件质量有多大影响。

△激光束熔化（LBM）增材制造缺陷目录，包括识别过程偏差、零件和材料缺陷（几何偏差、表面质量、孔隙率、飞溅物内容物）、制造缺陷等。

1 激光熔化的识别过程偏差

为了识别激光熔化期间可能出现的故障，仔细检查了机器、材料、过程和人员等主要错误来源。

概述如图1所示。

△图 1：偏差来源

由于某些错误非常少见（例如剩余氧气和激光功率或波长太高/太低，聚焦或x / y位置不好，振镜扫描仪系统太快/太慢），因此只有那些发生的机会较高和中等原因被考虑在内。该分析基于FOTEC的2011年第一代EOS M280机器模型。

图2显示了机器上的常见偏差。发生几率较高的那些用红色标记，发生中度机会的那些用橙色标记。

通过实施过程监测(层监测和熔池监测系统)，通常可以在过程中发现一些错误。图2所示的基于重新编码的误差可以通过粉层监测来检测，也可以通过基于参数的误差(或熔池监测来检测)。

除了这些，还有一些机器和流程错误，在当前的技术状态下无法自动检测到这些错误。但是，通过适当的预处理、训练有素的工作人员和精心设计的工作流程，几乎可以消除所有人为和材料错误，以确保从开始到结束的连续材料质量。

尽管采取了所有这些措施，仍然可能出现错误，例如 由于工艺稳定性不足。可能会导致零件缺陷和打印缺陷。以下部分概述了最常见的常规零件和材料缺陷。此后，讨论了最常见的打印缺陷及其对零件质量的影响。

2 零件和材料缺陷

激光熔化过程中最常见的错误类型是几何偏差、表面质量粗糙、粘结层错误和孔隙率。

2.1几何偏差

在激光熔化原料的分层固化过程中，会产生热诱导的残余应力。这些残余应力会由于收缩和变形而导致偏离标称几何形状。为了防止零件变形或从加底板上脱落，如图3所示，可以对底板进行预热以降低温度梯度。

除了减少变形之外，预热还可以防止部件中应力引起的微裂纹。另外，通过使用合适的支撑结构，可以实现改善从部件到底板的散热。如果这些支撑结构不能很好地适应部件的几何形状，则部件可能会向上翘起，从而导致弯曲。如果在激光熔化过程中发生这种情况，则3D打印机喷头可能会与部件发生碰撞。这可能导致工艺故障，甚至损坏3D打印机单元。

在激光熔化原料的分层固化过程中，会产生热诱导的残余应力。这些残余应力会由于收缩和变形而导致偏离标称几何形状。为了防止零件变形或从加底板上脱落，如图3所示，可以对底板进行预热以降低温度梯度。

除了减少变形之外，预热还可以防止部件中应力引起的微裂纹。另外，通过使用合适的支撑结构，可以实现改善从部件到底板的散热。如果这些支撑结构不能很好地适应部件的几何形状，则部件可能会向上翘起，从而导致弯曲。如果在激光熔化过程中发生这种情况，则3D打印机喷头可能会与部件发生碰撞。这可能导致工艺故障，甚至损坏3D打印机单元。

为了防止如图4所示的后处理变形，建议在进行适当的后处理后将零件与打印平台分离。

△图 4：与加工板分离时残留应力变得明显

△图 3分离零件和打印平台（中间过程）

在激光熔化过程中，整层也有可能与固体材料分离。这个宏观缺陷称为分层（图5）。由于缺乏能量输入，熔化不完全的颗粒会落入材料中对其造成污染，可能导致层粘结不足。使用后热处理无法消除分层。

△图 5：宏观分层

2.2 表面质量
一方面，使用激光熔化制造的零件的表面质量取决于加工参数。另一方面，制造空间中几何图形的对齐也会影响表面质量。特别是，平行于或垂直于制造面板打印的表面通常比悬垂表面具有更好的质量。悬垂的表面具有较大的粗糙度，因为更多的粉末颗粒附着在这些表面上。

△图 6：粗糙度(AlSi10Mg)受建造方向影响

为了能够在工业上使用激光熔化制造的零件，通常需要通过使用合适的精加工工艺降低表面粗糙度。

2.3 孔隙率

在激光熔化过程中不可避免地会出现孔隙。因此，很难达到百分之百的密度。圆形孔（通常是气孔）和不规则形状的孔（称为粘结缺陷）之间有区别。两种类型的缺陷都可以在图7中的示例性显微图中看到，该缺陷是在能量输入不足的情况下意外产生的。气孔是通过从大气中捕获气体或通过某些合金元素的蒸发而形成的。气孔是圆形的，通常是由于输入到材料中的高能量而形成的。它们在零件中的分布是随机的，熔融不足缺陷是由于原料材料的熔融不足引起的。对于易氧化的材料，氧化物会减少熔体的流动，导致覆盖不良，从而导致熔合缺陷。

△图 7：AlSi10Mg测试样品的微观切片

2.4 飞溅
激光熔化过程中飞溅粒子的形成是一种固有的影响。通常，增加激光能量输入会增加飞溅形成的强度。设计通过粉末床表面的惰性气体流，以清除成型区域飞溅的颗粒，从而避免飞溅到部件和粉末床中。根据颗粒沉积的位置，可能会发生两种结果。①飞溅物沉积在一层内的零件横截面上会导致微观结构缺陷。②当粉末被重复使用时，粉末床中飞溅颗粒的累积逐渐改变了粉末性质。

2.4.1部分熔化的飞溅物引起的微观结构缺陷
Ti6Al4V测试表明，夹杂飞溅物会极大地影响机械部件的质量。即使有惰性气体流，还是不可避免地会产生焊缝飞溅，这会在长时间的打印工作过程中发生（请参见第3.3节）。这可能是由于两个原因共同导致的。①由于与激光熔化粉末相比，颗粒大小和形状不同，焊渣会导致熔化不均匀，从而导致焊渣间隙甚至是气孔（见图1）16至图21）。其次，局部惰性气体流的阻塞会导致局部流扰动，从而导致不合适的焊接氛围。

2.4.2回收粉中的飞溅物

在Ti6Al4V的激光熔化处理过程中产生的飞溅颗粒的氧含量增加了8％，而氮含量增加了67％。大部分沉积的飞溅颗粒被回收并转移到可重复使用的粉末中，以用于以后的制造工作。在这种特殊情况下，在随后的筛分过程中，有82％的隔离飞溅粒子通过了75 μm筛孔。这种作用会导致粉末中的氧气和氮气逐渐增加，这可能会超过规定的极限值，或损害零件的机械性能。

3制造缺陷

综上所述，尽管通过过程监控，适当的预处理，技术熟练的员工以及复杂的工作流共同努力避免错误，但还是会出现制造缺陷。 根据FOTEC对EOS设备M280模型的当前分析，制造缺陷通常会导致制造过程自动停止. 这将导致废品或部件不完整。有时，手动停止该过程很有意义，以防止包含由惰性气流干扰引起的焊接飞溅，因为这通常不会自动停止3D打印过程。本研究还提到了以下缺陷：

• 打印过程中断——如果打印头碰撞导致样品弯曲，则自动停止。

• 打印完成后停止——万一发生打印头碰撞，则自动停止，样品保持完好无损，并且可以继续进行加工。

• 焊接飞溅物包裹——惰性气体喷嘴堵塞。

3．1 中途中断打印
在最坏的情况下，由于零件弯曲，必须停止加工作业。这可能是由于打印头与部件层的碰撞所致，部件层由于先前的暴露而弯曲，这些部件层由于部件区域的几何稳定性较弱而导致的热应力，或者通过没有或缺少支撑件而引起。较弱的支撑策略可能会导致支撑与零件之间或支撑与构建平台之间的接口中断。当然，如果部件的几何稳定性较弱，则可能会在部件的最薄弱部分发生断裂。

△图 8：由于支撑方式薄弱，支撑和零件之间的接口破裂

3.2 打印件完成后有缺陷

△图 9：由于支撑方式薄弱，支撑与构建平台之间的接口破裂

如果打印机喷头与零件碰撞但它们没有弯曲，则正常情况下可以继续施工。连续可以在打印机喷头崩溃的同一层中，也可以在其上方的一层或两层中进行，以避免再次发生打印机喷头碰撞。继续加工作业后，如果暂停持续时间超过几个小时，则通常在零件上可以看到暂停加工的痕迹。

△图 10：暂停加工作业留下的痕迹

到目前为止，尚不清楚上述部件是否具有与无错误生产的部件相同的机械稳定性。本研究获得的结果和下面概述的部分回答了这个问题。

3.3 焊渣飞溅
需要更长的施工时间，具体取决于材料、零件高度和零件体积，惰性气体喷嘴有时会被焊接飞溅物和散落的粉末堵塞。如果发生这种情况，请留在零件的裸露层上，位置不要动。这允许它们在调整期间被集成到其余的零件层中，并避免了潜在的零件缺陷。

残留的焊接飞溅物不一定会导致打印头与零件碰撞并造成上述损坏。因此，在短时间内人工暂停，清理惰性气体喷嘴，以便继续3d打印，防止被焊接飞溅物困住，这是一种可行的方法。

这种手动停止或多或少会导致与暂停作业相同的零件属性。然而，我们还详细研究了通过堵塞的惰性气体喷嘴焊接飞溅物的集成如何影响部件性能。

4 暂停3D打印过程的影响
用Ti64（Ti6Al4V）拉伸样品研究了较长的暂停时间（导致出现如图10所示的痕迹）对机械性能的影响。为了模拟打印暂停，打印过程在64毫米(包括4毫米支撑高度)的零件高度手动停止，即在垂直排列的120毫米长度的拉伸样品的零件中间。停止和继续施工之间的时间间隔了10个小时。

3D打印后，将样品进行热处理（800°C / 4h）。

在第一个测试中，继续在手动停止的同一层继续加工。在第二个测试中，继续在90微米以上的三层上进行建筑，以模拟无法确定实际挡块高度的打印头碰撞。为了评估无差错加工作业的差异，在不中断的情况下，对具有相同零件对齐方式的参考零件进行了3D打印。

△图 11：加工工作-调查中断的影响

下图显示了拉伸测试的结果（根据ASTM E-8）（请参见图12）。与参考组分相比，杨氏模量（E），屈服强度（Rp），极限强度（Rm）和断裂伸长率（A）几乎没有差异。唯一显著的区别是断裂伸长率的标准偏差。在此，平均值低于参考值。中断的加工工作的标准偏差也是参考值的两倍。

△图 12：拉伸试验图

研究惰性气体流动阻塞和焊渣Ti64（Ti6Al4V）夹杂的影响制作拉伸样品。它们与加工平台水平对齐。3D打印后，还对其进行了热处理（800°C / 4h）。通过用右半边的胶带覆盖出气口来模拟惰性气流的阻塞。

△图 13：加工工作–研究阻塞的惰性气体流

根据ASTM E-8，堵塞的喷嘴样品的拉伸测试结果实际上与开放的喷嘴样品有所不同其屈服强度(Rp)、极限强度(Rm)和断裂伸长率均低于开放喷嘴试样。在比较标准偏差时，阻塞喷嘴样品的唯一明显较高的值表示为断裂伸长率。

△图 14：惰性气体流向和堵塞的气体出口喷嘴的面积

△图 15：拉伸测试图

CT分析再次显示了样品中的这些误差。将建筑平台右侧的样本2和左侧的样本7分两层进行比较（顶部的153和297层是视觉缺陷区域）。样品2的几乎每一层都显示出焊接飞溅缺陷，而样品7没有显示出缺陷。
FOTEC的层监测系统也能识别焊接飞溅误差。

△图 23：顶部样品7（左），样品2（右）的153层

△图 22顶部样品7（左）的297层，样品2（右）

熔池层监控功能在整个加工平台上每20 μm x 20 μm测量一次发出的光，并根据100 μm x 100 μm点的值计算平均值。它清楚地显示了加工平台右侧的缺陷(较亮的区域)。在此，在随后的图中也显示了图22和图23中CT分析之前的CT分析图层。

△图 24：FOTEC的熔池监测(表层153层)

△图 25：FOTEC的熔池监控（顶面297层）

因此，熔池监测可以用于检测施工过程中的焊接飞溅夹杂故障。通过实施反射激光功率的限制，可以识别和记录废件/区域。

5 说明
在本研究中，第1节和第2节给出了激光熔化过程中常见的误差和工艺偏差。为了在很大程度上避免这些错误，适当的预处理、训练有素的人员和精心设计的工作流程是有帮助的。然而，以下的加工缺陷可能会发生。

•中途停机-当重新编码器碰撞导致部件弯曲时，自动停机装置。
•打印完成后停机-自动停止，在重新编码碰撞，与零件保持完整，工件可以继续。
•焊接飞溅夹杂物-通过阻塞的惰性气体流动喷嘴。

为了评估这些构件缺陷，对拉伸样品进行了3D打印，并对这三个缺陷进行了测试，并与过程监控并行进行了观察。检查了样品（根据ASTM E-8）并获得以下结果：
由于张力参数的细微差异，即使在大约十小时后，停顿与否相对不重要。只有当部件的质量对断裂伸长率至关重要时，才需要对其进行处理。在这些情况下，重点应该是优化支撑和零件续点对齐，以防止重新编写器发生冲突(参见第4节)。
•必须定期清洁气嘴，以最大程度地减少由于焊渣的混入而导致的机械质量明显下降。
•熔池监控，可以识别包含焊渣的零件/区域并进行记录。

研究背景

2020年3月，奥地利技术公司Ecoplus Plastics和Mechatronics Cluster公布了他们的一项研究结果，内容主要是关于将增材制造应用于工业生产中的发现。两年前，这两家公司启动了这项耗资210万欧元的研究项目，称为“增材制造的工业4.0”（AM 4 Industry）。

项目目的是使企业能够在把增材制造引入生产领域时，做出更明智的决策。研究表明，增材制造技术能否成功应用于工业，主要取决于几大关键因素：
●质量特征的定义以及设计
●3D打印工艺的发展
●可靠的生产过程监控
●合适的后处理指南
●合适的成本效益模型

该报告一共包括五个细分报告：
●激光束熔化（LBM）增材制造缺陷研究
●增材制造设计非常重要
●增材制造中的设计与流程相关注意事项
●实施增材制造工艺之前，做好质量优化和成本分析
●应用示例介绍OpenFoam®和chtMultiRegion

这项研究，南极熊认为非常有价值，有利于激光熔化类的3D打印企业深入展开工业应用，推动我国智能制造的发展。

本报告的翻译，得到北京化工大学英蓝实验室 吴怀松、何其超、程月、王皓宇、张秀、刘俊丰等同学，和老师焦志伟的大力支持。正是由于这个也做3D打印相关研究的团队，付出了约1个月的时间和精力，本报告的中文版才得以问世。南极熊特此感谢！