粉末床金属3D打印成功率提高的要素研究

肖建军 唐 平

（湖南华曙高科技有限责任公司 长沙410205）

近年来，3D打印技术的应用越来越广泛，这其中工业级的粉末床金属3D打印技术在航空航天、军工、模具、医疗等领域的发展尤为迅速。但是，开发一个新零部件的金属3D打印工艺过程中，出现打印失败是较为常见的现象，对于结构复杂、打印难度大的零部件，往往需要对打印工艺进行摸索，多次迭代更新设计，才能最终打印出合格的零部件。对于一些打印时间较长（数天）的大件，若出现打印失败，其所造成的损失是巨大的，如耗费机器打印时间、浪费粉末、延迟交付等。尽管现在的粉末床金属3D打印系统存在打印失败的风险，但是在诸多情况下，可以通过对建造过程的环境控制，设备的正确使用、工艺参数的控制以及对零部件优化设计等方面进行优化调整，将风险大大降低。在此，通过大量的应用实践验证，研究了一些提高打印成功率的关键要素，以及常见的打印失败案例，供大家参考。

1 辅助配套要素

1.1 惰性气体

粉末床金属3D打印过程中需要在惰性气体（氮气、氩气）保护下进行，惰性保护气体纯度应不小于 99.9%，推荐优先使用氩气作为保护气体。由于不同材料的活性存在差异，需正确使用不同的保护气体类型（见表1），同时还需要保证充足的气体供应。气体供应不足导致打印过程出现暂停，若暂停时间较长后再续接，工件表面会留下因工件冷却而产生的收缩痕迹。

表1 常见金属粉末惰性气体使用类型

气体类型使用错误可能会导致材料力学性能异常、杂质元素含量超标、甚至引发火灾等隐患。金属3D设备应充分考虑安全性，通过软件设置与惰性气体类型锁定以及软件信息提示、机械锁等多重手段确保使用安全。

1.2 电源供应

尺寸较大、实体部分较多的零部件往往需要数天的打印时间，因此设备需要长期稳定的供电源。若电源不稳定，突然断电造成的停机，会对工件带来一定程度的不利影响，同时还有可能造成数据丢失，导致工件无法续接从而报废。设备配备UPS备用电源模块可以部分解决该问题，但是并不能解决根本问题，原因在于设备正常工作状态功率通常达几千瓦，大部分的UPS备用电源模块电量不足以支撑设备较长时间运行，往往仅能维持数分钟。因此，金属3D设备须专门开发相应功能以应对突然断电这种极端情况，如断电位置保护，软件数据防丢失、层扫描等。

2 设备相关要素

2.1 风场

惰性保护气体在风机作用下，以一定的速度吹过成型腔室打印区域上方，形成风场以保障打印过程的顺利进行，惰性保护气体风场的主要作用有四点：防火防爆、防止粉末氧化、及时带走烟尘以及维持成型腔室清洁。若风场设计不佳，则容易导致风场不均匀，从而导致打印件性能波动范围较大。因此，金属3D打印设备风场结构应保证均匀性、稳定性（见图1）。

图1 某款金属打印设备风场控制示意图

2.2 滤芯

循环风场将打印过程中产生的烟尘带离成型腔室，经过滤芯后再重新返回成型腔（如图2），滤芯长时间工作后表面会粘附非常多的烟尘颗粒，过滤阻力变大从而导致循环风量下降，风量不足会导致打印过程中产生的烟尘不能被及时带走，散落在烧结平面上，从而会导致打印件孔隙率升高，性能下降，情况严重时还会造成工件表面凸起、卡刮刀、工件报废等情况。因此，开机前尤其是打印耗时长的工件时必须确认滤芯的状态，及时的更换滤芯，良好的滤芯状态是保障打印成功的关键要素之一。

图2 循环过滤示意图

2.3 刮刀

打印过程中激光每扫描完一层后成型缸便下降一个层厚，然后由刮刀将新供给的粉末均匀地铺在成型面上，刮刀状况直接决定铺粉质量的好坏，因此在烧结前需要仔细检查刮刀条的磨损情况，是否存在缺口等状况。此外还需要保证整个刮刀部件的清洁，若刮刀部件上残留有未清理干净的粉末，则有可能在刮刀运动过程中掉落在粉面上，激光扫过时形成凸起，从而造成卡刮刀、打印暂停、工件报废等（如图3）。为了减少刮刀损坏等情况造成铺粉质量不佳，导致打印失败的情况，铺粉质量监控功能就十分必要。例如某设备配备机器视觉功能，可以实时监测每一层的铺粉质量，并实现自动补粉（如图 4）。

图3 工件翘曲变形损坏刮刀后造成的铺粉缺陷

图4 铺粉质量检测

2.4 基板

基板材质应与所打印材料具有良好的冶金相容性，基板厚度须满足工艺要求，基板厚度较薄，在打印内应力较大的工件时容易发生变形。基板平面度也需满足工艺要求，若不平整，则会导致铺粉不均匀，在粉末与基板未完全焊合的区域冶金结合力较弱，随着打印过程的进行，热应力的逐渐累积，累积到一定程度时可导致工件与基板的分离。

基板表面需要合适的粗糙度，通常通过手工砂纸打磨或者是做喷砂处理（如图5），若表面太光滑，则前几层的铺粉不均匀，容易导致打印失败。基板在正式装机使用前还应用酒精清除表面的杂质、油污等附着物。

图5 基板表面砂纸打磨

2.5 成型腔室（如图6）

图6 某款打印设备成型腔室内部

设备成型腔室内需保证清洁，避免不同牌号或批次的粉末产生交叉污染，烧结前需要将激光窗口镜等部件擦拭干净。在打印过程中，会从熔池喷射出飞溅物颗粒，这些飞溅物大部分会被惰性保护气体带走，少部分会残留在成型腔内，若激光窗口镜上粘附了一些飞溅物，激光穿透这层粘附物时能量发生衰减，从而到达烧结平面上能量不足，从而导致打印失败。因此在打印前，需要将窗口镜清理干净。

3 粉末相关要素

粉末品质的好坏直接决定打印件的质量，在打印开始前需确认如下几点：

（1）粉末供应量充足，减少或避免中途停机加粉；

（2）调整合适的供粉量。为了避免供粉量少时未能铺满整个平面以及供粉量多时造成粉末浪费的现象，智能供粉技术十分必要，其可根据工件不同高度特征自动调整供粉量，实现对粉末的高效利用。

（3）确保金属粉末的牌号和化学成分应符合有关标准的规定，如粒度分布、流动性、氧含量、球形率、松装密度、空心粉率等性能指标，这些应根据工艺要求确定。使用过的粉末中混合有粒径较大的或者非规则形状颗粒（如图7），需过筛后，经检测符合要求时才允许重复或混合使用。

图7 使用过的IN718粉末筛分出的杂质颗粒

（4）当粉末种类较多时，需做好粉末管理。粉末宜使用密闭、防静电、阻燃的容器存放在干燥、阴凉、无腐蚀的环境下，粉末贮存应按照粉末供应商提供的环境条件要求执行，应采取必要措施，防止粉末在使用、贮存、运输、筛分、清理等过程中被污染（如图8）。

图8 未妥善存储的316L粉末打印后开裂

4 设计相关要素

4.1 零部件再优化设计

金属3D打印有两个工艺特征：倾斜面的台阶纹效应、悬空部位需要支撑结构辅助成型。支撑结构起到热量传递，防止工件变形，以及稳定工件的作用，后期需要通过机加或人工的方式去除。由于粉末床金属3D打印有如上工艺特性，因此在设计时就需引入增材思维进行优化设计，避免出现应力过大的部位，避免出现大的水平悬空区域（如图9），倾斜部位尽量增大倾斜角度实现自支撑（如图10、图11），工件与基板连接处增设倒圆角过渡等。

图9 水平大悬空区域优化前后

图10 倾斜部位增大倾斜角，减少台阶效应优化前后

图11 自支撑结构设计优化前后

4.2 零件摆放

不同的摆放方式对打印件的质量有至关重要的影响，通过合理的摆放可以实现支撑量的最少化（如图 12）。总体来说，工件摆放时需综合考虑以下几点：

图12 不同摆方向所需支撑示意图

(1)方便清粉；

(2)尽可能少支撑；

(3)尽量缩短打印时间；

(4)保证重要面打印质量；

(5)减少后处理 。

4.3 支撑设计

当零件经优化设计以及调整摆放方式后还不可避免需要使用支撑结构时，需要考虑的要素有以下几点：支撑类型合适、强度足够、去除便捷、清粉便捷等（如图13、图14）。

图13 支撑强度不够导致的工件变形

图14 开瓶器支撑设计

4.4 排包布局

通过优化部件在打印平台上的布局，可以尽量减少打印失败，以下介绍一些排包布局的小技巧：

（1）当悬空结构生长方向与刮刀运动方向相反时，刮刀与工件轮廓的摩擦将会加剧工件边缘翘曲，导致打印失败的风险上升，因此如有可能尽量避免这种情况出现，若不能避免，此时即使该悬空结构的悬空角大于临界悬空角，也应做支撑降低打印风险（如图15）。

图15 悬空结构摆放角度对比（Z向）

（2）避免部件与刮刀平行摆放，应绕 Z轴旋转一定的角度，分散刮刀对工件的冲击力。如果将部件与刮刀平行摆放，在发生形变时，刮刀将更难通过。绕Z轴旋转部件，避免刮刀行进路线上有长且平坦的薄壁。由于形变通常出现在部件边缘特别是尖角处，最好让刮刀先通过尖角再通过其它部分，而不是同时通过长且平坦、带有两个尖角的薄壁。这能够减小碰撞的几率，从而保证细小结构的质量（如图16）。

图16 工件摆放角度对比（X-Y向）

（3）避免工件在刮刀行进路线上前后摆放，如果某一零件打印失败发生翘曲变形，刮刀与其发生了碰撞，即使部件或刮刀损坏，打印过程还是有可能继续。当这种情况发生后，碰撞区域前后方的粉床造成破坏，留下铺粉缺陷，因此该区域的工件也会打印失败。因此，如果可行，在打印平台上摆放部件时，尽量使工件在刮刀行进路线上前后摆放，在一些打印风险较高的工件前后方最好不要放置工件（如图17）。

图17 多个工件摆放布局对比（X-Y向）

（4）将高度较高的工件摆放到距离供粉侧较近的位置，一般来说，靠近供粉侧的粉床质量更好。当已经完成了小部件的打印，打印平台中只剩下最长的部件时，将其摆放在距离供粉侧最近的位置有利于减少铺粉量。这避免了一些打印过程中可能需要补粉的情况（如图18）。

图18 高度不同工件摆放位置对比（Z向）

5 结语

粉末床金属3D打印成功率主要在辅助配套要素(气源、电源)，设备要素（风场、滤芯、刮刀、基板、腔体），粉末要素（供给、筛分、储存），设计要素（零部件增材思维再设计，摆放方向优化，支撑设计优化，模拟仿真、排包布局）等方面。这些都是在大量的应用实践中摸索总结出来的经验，并且在很多领域都已经有成功的案例（如图19），效果也很显著，可以为相关的3D打印研究提供一些参考与借鉴。

图19 打印成功过的案例

当然，粉末床金属3D打印是一项涉及机械、电气、光学、材料、热学等多学科交叉的新技术，对其打印成功率有影响的因素也十分复杂，对于具体的应用案例，还是要根据设备、材料、环境等实际情况，做具体的深入研究。