目前金屬3D打印最常見的形式是粉末床熔融。這類工藝使用熱源（SLM工藝使用激光，EBM工藝使用電子束）逐點將粉末顆粒熔融在一起，逐層加工至物件完成。粉末床熔融系統有熱源和粉末分布控制機制。
圖1:粉末床熔融工藝示意圖
直接接能量沉積法（DED：Directed Energy Deposition）和粘結劑噴射法也可以用來3D打印金屬物件。前者把粉末或者金屬線材送至熱源，后者把液態粘結劑沉積在金屬粉末床上。打印完成后，后者對物件進行熱處理、爐內燒結。
圖2：不同直接能量沉積工藝示意圖
在金屬3D打印過程中，可能會出現大量設備操作者試圖避免的問題，包括孔隙、殘余應力、致密度、翹曲、裂紋及表面光潔度等。下面我們來談談這幾種常出現的問題。
1、表面光潔度
在金屬3D打印件被使用或放置在展柜之前，它已經經歷了大量類似CNC加工、噴丸或噴砂等后處理工藝，因為3D打印出來的金屬件表面是凹凸不平的。
圖3 EBM工藝3D打印Ti-6Al-4V鈦合金支架機加工前后
受工藝本性的影響，直接能量沉積法生產的是接近最終形狀的零件，它必須進行CNC處理以滿足相應規格要求。粉末床熔融方式生產的零件更接近其最終形狀，但是其表面依然粗糙。為提高表面光潔度，可采用更細的粉末、更小的層厚。
但這種方式會提高材料成本，故需要在表面光潔度和成本間取平衡。由于所有的粉末床熔融工藝生產的零件都需要進行后處理以達到相應規格，有時采用粒徑較粗的粉末可以降低成本。由于不管零件表面如何粗糙，零件都可以采用不同等級的后處理操作。這也意味著相對于金屬3D打印可能出現的其他問題，表面光潔度沒那么重要。
2、孔隙
由于金屬3D打印工藝本身或者粉末原因，可能會引起在零件3D打印過程中，內部會形成非常小的孔穴孔隙。這些微孔會降低零件的整體密度，導致裂紋和疲勞問題的出現。
圖4：光學顯微鏡下產品內部孔隙
上圖光學顯微鏡結果比較了工藝引起的熔融不完全孔隙和粉末原料帶來的孔隙。
在霧化制粉過程中，氣泡可能在粉末的內部形成，它將轉移到最終的零件中。所以，從優秀供應商手中采購金屬粉末材料相當重要，優質粉末將減小零件形成孔隙的幾率。
更常見的是，3D打印過程本身會產生小孔。比如當激光功率過低，會導致金屬粉末沒有充分熔融。當功率過高，會出現金屬飛濺的現象，融化的金屬飛出熔池進入到周圍區域。
當粉末的尺寸大于層厚，或者激光搭接過于稀疏，將會出現小孔。熔化的金屬沒有完全流到相應的區域也會造成小孔出現。
為了解決這些問題，大部分設備操作者需要針對特定的材料和任務來調試設備。對特定的材料和任務，設備參數（如激光功率、光斑尺寸、光斑形狀）需要調整來使孔隙最少。
在粉末床熔融工藝中，采取激光分區掃描的模式也可以減少孔隙量。這種類似棋盤的填充模式代替單向掃描策略，減小了溫度梯度。
在SLM工藝中，可以通過調整光斑形狀來減少粉末飛濺，大家熟知的“脈沖整形”可以實現區域逐漸融化。對于EBM工藝，電流會導致粉末顆粒從粉末床飛濺，它可以通過電子束快速掃描預熱粉末床來改善。
對于減少孔隙，有以下方法：使用高品質金屬粉末、合適的加工參數、合理的環境控制能保證產品致密度達到99%以上，最終零件可以通過熱等靜壓去除殘余的孔隙。也可以通過滲入其他材料法方式來減少孔隙，如滲銅。但添加輔助材料會改變零件的化學成分，可能會破壞零件原始設計應用場景。
3、密度
零件的致密度與孔隙量成反比。零件氣孔越多，密度越低，在受力環境下越容易出現疲勞或者裂紋。對于關鍵性應用，零件的致密度需要達到99%以上。
除了前文提到的控制孔隙量的方式，粉末的粒徑分布也可能影響到零件致密度。球形顆粒不僅會提高粉末的流動性，也可以提高零件致密度。此外，較寬的粉末粒徑分布允許細粉末填充于粗粉末的間隙，導致更高致密度。但是，寬粉末粒徑分布會降低粉末的流動性。
良好的粉末流動性對于確保鋪粉的平整度、密度非常必要。正與你所想的那樣，它會影響到產品的孔隙量和致密度。粉末堆積密度越大，零件孔隙量越低，致密度越高。
卡內基梅隆大學的機械工程學院教授、下一代制造中心（NextManufacturing Center）主任Jack Beuth可以闡述清楚金屬3D打印參數設置與零件孔隙量、致密度的關系。
“
零件致密度最大化（孔隙量最少）非常重要，因為制造出來的零件在實際應用中會經歷循環載荷”，Beuth解釋道：“在我們CMU開展的研究中，通過控制3D打印工藝參數，不同來源的孔隙量可以被控制或有效消除。在降低孔隙量方面，沒有哪一種工藝參數比其他所有工藝好很多，但對每次加工，總會有最優的加工參數組合。”
4、殘余應力
在金屬3D打印中，殘余應力由冷熱變化、膨脹收縮過程引起。當殘余應力超過材料或者基板的拉伸強度，將有缺陷產生，如零件有裂紋或者基板翹曲。
圖5：殘余應力導致3D打印鈦合金件從平臺脫離
殘余應力在零件和基板的連接處最為集中，零件中心位置有較大壓應力，邊緣處有較大拉應力。
可以通過添加支撐結構來降低殘余應力，因為它們比單獨的基板溫度更高。一旦零件從基板上取下來，殘余應力會被釋放，但這個過程中零件可能會變形。
勞倫斯利福摩爾國家實驗室科研人員提出了一種降低殘余應力的方法，為了控制溫度起伏，可采取減小掃描矢量長度的方式代替連續激光掃描。根據零件最大截面旋轉掃描矢量的方位也許能起作用。
另外一種降低殘余應力的方式是，打印前先對基板和材料進行加熱處理。由于操作溫度更低，預加熱在EBM工藝中比SLM或DED工藝更常見。
在德國不來梅企業金屬3D打印技術中心的Ingo Uckelmann是金屬3D打印服務和Materialise公司的技術經理。Uckelmann解釋有必要在三個階段控制殘余應力，即數據準備階段、打印過程、后處理階段。
“ 在數據處理階段我們使用Materialise Magics來選擇合適的擺放方向，從而阻止翹曲或后期的應力導致的變形”，Uckelmann說道：“Magics也可以選用支撐把零件牢固連接在平臺上，并使用體支撐來快速導熱。”
Uckelmann指出，支撐結構在金屬3D打印過程中扮演了重要卻又“不合理”的角色。“一方面，需要支撐結構來抵消打印過程的應力，保持零件位置不發生變化。另一方面，支撐會散掉打印產生的熱量，因為過高的局部溫度可能會導致表面質量或力學性能的惡化”，Uckelmann解釋道：“Magics使用混合支撐來扮演這兩方面角色。”
“打印過程中，我們使用機器通訊軟件——Materialise Build
Processor——把零件切割成殼體和核心區”，Uckelmann補充道：“每一部分采用不同的掃描策略。Build
Processor也可以為不同結構的支撐指定不同的掃描策略。比如，支撐結構可以每兩層掃描一次，以提高掃描效率并降低應力。打印完成后，我們對所有零件進行熱處理以防止應力變形。”
6、裂紋
除了零件內部孔隙會產生裂紋外，熔融金屬凝固或某片區域進一步加熱也會出現裂紋。如果熱源功率太大，冷卻過程中可能會產生應力。
圖6 粉末床熔融工藝中應力導致斷裂
分層現象有可能會出現，導致層間發生斷裂。這可能是粉末熔化不充分或熔池下面若干層重熔引起的。有些裂紋可以通過后期處理來修復，但分層無法通過后處理解決。相應地，可采取加熱基板的方式來減少這個問題的出現。
Beuth也能夠解釋清楚金屬3D打印過程中裂紋是如何出現的。他指出裂紋和它對零件性能的影響不局限于增材制造，在傳統鑄造和其他金屬處理方法中也是大家關注的問題。
“一般來說，設備制造商支持的材料不會在打印過程中出現裂紋”，Beuth說：“但是，當用戶開始嘗試加工不是制造商支持的材料，如更脆、更硬的合金，這個時候那就得考慮裂紋的問題。與孔隙控制類似，可以通過調節工藝參數來減少或者消除裂紋，這是增材制造領域研究熱點。”
7、翹曲
為了確保打印任務能順利開始，打印的第一層熔融在基板上。當打印完成后，通過CNC加工使零件從基板上分離。然而，如果基板熱應力超過了其強度，基板會發生翹曲，最終會導致零件發生翹曲，會有致使刮刀撞到零件的風險。
圖7：金屬3D打印產品翹曲
Met-l-flo公司的總裁、增材制造ASTM F42委員會主席Carl
Dekker對這一現象的發生做了解釋。“在打印過程中你需要面對多個熱因素，即使你的產品非常厚，也會因此產生附加應力”。Dekker說道：“打印過程有多個快速變化狀態。有些時候會導致零件從支撐脫離。也有可能支撐足夠多，會對平臺產生拉力。它可能導致平臺變形，它不是在你打印時發生，但是會發生在從機器取出平臺或進行后續加工階段。”
因此，為了防止翹曲，需要在合適位置添加適量的支撐。如果不對每個要打印的零件進行反復嘗試，這些設置非常難以確定。現在也有些正在開發的軟件解決方案，比如3DSIM公司的打印預測軟件。
其他問題
其他變形，比如膨脹或者球化，也可能出現在金屬3D打印過程中。膨脹發生于熔化的金屬超出了粉末的高度。類似地，球化為金屬凝固成球形而不是平層。這和熔池的表面張力有關，它可以通過控制熔池的長度-直徑比小于1-2來減弱。
圖8：3D打印不銹鋼球化與分層
暴露在氧氣或者潮濕環境中可能會導致合金的成分發生變化。比如，隨著Ti-6Al-4V鈦合金中氧元素增加，鋁元素含量可能會降低。在粉末重復使用時，這一現象尤為常見。重復使用會導致粉末球形度降低，流動性降低。
打印過程也可能導致合金的成分發生變化。合金是由多種金屬元素組成，打印時低熔點元素可能會蒸發。對Ti-6Al-4V這種常用航空鈦合金，Ti比Al元素有更高的熔點，在打印過程中這種材料的成分可能會改變。
正如航空管理咨詢公司Aerolytics的創始人Bill Bihlman所說：“如果能量密度過高，你會導致鋁元素蒸發。也可能會燒穿的下面額外幾層。每次你重復加熱或冷卻某區域，它會影響殘余應力，最終使材料性能降低。”
在金屬3D打印時避免各種問題仍需要大量的工藝知識積累和不斷嘗試。每個零件都需要修改設備參數，通常導致設備操作者需多次打印同一個零件，直至克服翹曲、裂紋、孔隙等問題。一旦打印完成，需要對零部件進行測試，確保其滿足相關標準。
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