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技術(shù)干貨│高質(zhì)量的金屬3D打印件如何保障？

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責(zé)任編輯：傳說(shuō)的落葉時(shí)間：2019-06-19 08:54

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[導(dǎo)讀]金屬3D打印過(guò)程復(fù)雜，影響最終打印質(zhì)量的因素眾多，需要從原材料、工藝、設(shè)備三方面綜合管控，才能得到高質(zhì)量的金屬3D打印件。

來(lái)源：華曙高科

金屬3D打印過(guò)程復(fù)雜（如圖1所示），影響最終打印質(zhì)量的因素眾多，需要從原材料、工藝、設(shè)備三方面綜合管控，才能得到高質(zhì)量的金屬3D打印件。每一批次原材料需要合乎規(guī)范要求，工藝需要經(jīng)長(zhǎng)期檢驗(yàn)確保其高度穩(wěn)定可靠，設(shè)備（含軟件）需要整體綜合設(shè)計(jì)保證其可靠性，若任何一個(gè)要素沒(méi)有考慮到位，則都有可能導(dǎo)致最終的工件打印失敗或質(zhì)量檢驗(yàn)不合格。

圖1 典型金屬3D打印過(guò)程（圖片來(lái)源于華曙高科）

圖2 原材料-工藝-設(shè)備相互影響關(guān)系（圖片來(lái)源于華曙高科）

一、材料端
金屬粉末材料對(duì)金屬3D打印成型質(zhì)量至關(guān)重要，對(duì)于金屬粉末有嚴(yán)格技術(shù)要求，華曙金屬粉末來(lái)源于卓越品質(zhì)供應(yīng)商，同時(shí)建立有金屬粉末質(zhì)量控制企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，雙管齊下，保證粉末質(zhì)量。一般情況下，粉末需要檢測(cè)的指標(biāo)有：

1.1.化學(xué)成分
各元素含量需滿足相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于使用的每一批次粉末，至少抽取一罐檢驗(yàn)，一般金屬元素采用等離子體原子發(fā)射光譜儀檢測(cè)，O 、N、 H元素采用氧氮?dú)浞治鰞x檢測(cè)，C元素采用碳硫分析儀檢測(cè)。若任意元素檢測(cè)結(jié)果不在合格范圍，則判定該批次粉末不合格。

圖3 電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀（華曙自有）

1.2.粒徑分布
適用于金屬3D打印粉末需要滿足一定的粒徑分布，根據(jù)工藝特點(diǎn)需要控制D10，D50，D90，對(duì)于每一批次粉末均需采用激光粒度分析儀檢測(cè)粒徑分布，（檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 19077.1粒度分析激光衍射法第1部分：通則）；若任意參數(shù)檢測(cè)結(jié)果不在合格范圍，判定該批次粉末不合格。

圖4 激光粒度儀（華曙自有）

圖5 粒徑分布圖（示意圖，來(lái)源于華曙高科）

1.3.流動(dòng)性
金屬3D打印對(duì)粉末流動(dòng)性有確切要求，粉末流動(dòng)性較差時(shí)主要影響鋪粉質(zhì)量，從而影響打印質(zhì)量。對(duì)于每批次粉末至少抽取一罐檢驗(yàn)，采用霍爾流速計(jì)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 1482 金屬粉末流動(dòng)性的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)漏斗法（霍爾流速計(jì)）。若檢測(cè)結(jié)果不在合格范圍，則判定該批次粉末不合格。

圖5 霍爾流速計(jì)（華曙自有）

1.4.其他重要指標(biāo)

粉末形貌，球形度，空心粉率，粉末濕度，松裝/振實(shí)密度，休止角等均需進(jìn)行相應(yīng)的檢驗(yàn)。

圖6 金屬粉末（17-4PH）SEM形貌

二、工藝端
金屬3D打印工藝參數(shù)較多，大致可分為實(shí)體填充參數(shù)、輪廓參數(shù)、支撐參數(shù)等。華曙擁有超40人的應(yīng)用研發(fā)團(tuán)隊(duì)，以及超過(guò)25年3D打印行業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的Philip Cornner等高級(jí)海外顧問(wèn)。該團(tuán)隊(duì)專門從事材料工藝參數(shù)開發(fā)及樣件打印工藝設(shè)計(jì)工作，為客戶尋找最佳的應(yīng)用方向，是客戶邁入增材制造世界不可或缺的得力助手。截止到目前，該團(tuán)隊(duì)已發(fā)布14種以上材料工藝參數(shù)包并協(xié)助客戶實(shí)現(xiàn)超100個(gè)成功應(yīng)用案例。

為了確保工藝參數(shù)穩(wěn)定可靠，實(shí)行專題化研究，具體的工藝開發(fā)路線如下圖7所示，經(jīng)重復(fù)打印驗(yàn)證（如義齒數(shù)十萬(wàn)次），確保工藝參數(shù)的高度可靠性。

圖7 工藝開發(fā)調(diào)試流程圖（圖片來(lái)源于華曙高科）

功率Laser power（p）、速度Scanning speed（v），掃描線間距hatching distance（h），層厚layer thickness（t）是影響金屬3D打印效率和性能的關(guān)鍵要素，如圖8所示。通常工藝調(diào)試圍繞這四個(gè)工藝參數(shù)展開，體積功率密度計(jì)算公式如式1-1。

圖8 工藝參數(shù)圖解（圖片來(lái)源于華曙高科）

式1-1

打印的基本測(cè)試樣件（如圖9）根據(jù)對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，具體測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)可以參考表1，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行匯總和數(shù)據(jù)分析，得出最佳的力學(xué)性能所對(duì)應(yīng)的參數(shù)。

圖9 工藝調(diào)試所打印的測(cè)試樣（圖片來(lái)源于華曙高科）

表1 檢測(cè)項(xiàng)目和參考標(biāo)準(zhǔn)（來(lái)源于華曙高科）

三、設(shè)備端
金屬3D打印對(duì)于設(shè)備要求非常嚴(yán)格，需要具備高精度的光路系統(tǒng)，兼顧精度與效率的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等。華曙高科設(shè)備研發(fā)團(tuán)隊(duì)擁有雄厚技術(shù)實(shí)力，由世界知名科學(xué)家許小曙博士領(lǐng)銜，涵蓋機(jī)械，軟件，光學(xué)，PLC，熱場(chǎng)，物理技術(shù)，電子技術(shù)等方向，團(tuán)隊(duì)中擁有多名超過(guò)10年以上設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的資深工程師。許小曙博士是享譽(yù)世界的粉末床增材制造技術(shù)的著名人物和企業(yè)家、福布斯雜志封面人物，擁有超過(guò) 20 年的增材制造經(jīng)驗(yàn)，獲得過(guò)“世界 100 位應(yīng)用科學(xué)領(lǐng)域突出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)”、“最佳人工智能獎(jiǎng)”等世界級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)，曾在全球多家增材制造企業(yè)領(lǐng)銜關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化，與此同時(shí)，華曙設(shè)備關(guān)鍵元器件均源于世界頂級(jí)供應(yīng)商。

華曙高科金屬3D打印系統(tǒng)亮點(diǎn)優(yōu)勢(shì)有——動(dòng)態(tài)光學(xué)系統(tǒng)
相比F-?鏡，動(dòng)態(tài)聚焦可實(shí)現(xiàn)對(duì)光斑的靈活控制，從而可以實(shí)現(xiàn)提高打印效率的同時(shí)又保證打印質(zhì)量，還可以顯著改善打印部件的表面精度。

圖10 動(dòng)態(tài)聚集技術(shù)圖解（圖片來(lái)源于華曙高科）

圖11 光束質(zhì)量分析測(cè)試（圖片來(lái)源于華曙高科）

軟件系統(tǒng)
華曙高科自主研發(fā)的增材制造一體化開源軟件操作系統(tǒng)，集合制造與故障診斷溫場(chǎng)控制、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)反饋與集成控制等功能于一體，是將增材制造多個(gè)模塊功能集成一體的系統(tǒng)控制軟件，也是具有開源性特征的3D打印軟件系統(tǒng)，突破了歐美增材制造企業(yè)原有封閉式軟件的技術(shù)局限，成為本領(lǐng)域開放式軟件平臺(tái)。

客戶使用華曙自主研發(fā)軟件就可以進(jìn)行完整的模型預(yù)處理和設(shè)備控制，不需要投資購(gòu)買任何第三方軟件。

Buildstar system
Buildstar軟件用于燒結(jié)工作包的排布，具備STL 排包( 平移, 旋轉(zhuǎn)等)、尺寸縮放、待支撐面預(yù)覽、生成支撐、尺寸補(bǔ)償和校準(zhǔn)、建造和工件參數(shù)設(shè)定、碰撞檢測(cè)、時(shí)間和材料估算、掃描路徑預(yù)覽、測(cè)量等功能。華曙秉承開源理念，開放燒結(jié)參數(shù)供用戶調(diào)整，為客戶的材料研發(fā)和應(yīng)用研發(fā)提供有效的解決方案；

圖12 Bulidstar 界面（圖片來(lái)源于華曙高科）

圖13 Buildstar 切片界面（圖片來(lái)源于華曙高科）

Makestar system
MakeStar 軟件用于控制設(shè)備所有動(dòng)作，具備實(shí)時(shí)圖表監(jiān)控：包含工作腔氧氣含量值的實(shí)時(shí)曲線圖、循環(huán)系統(tǒng)壓力實(shí)時(shí)曲線圖、活塞加熱器溫度曲線圖（自上而下排列）；信息欄：實(shí)時(shí)顯示設(shè)備提示、警告及報(bào)警消息，可清空操作；狀態(tài)欄：記錄設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行的狀態(tài)，包含工作腔門、氣路控制、激光、加熱器、成型缸活塞、缸體轉(zhuǎn)運(yùn)、刮刀、溢粉缸、缸體提升及基板等相關(guān)信息。

圖14 Makestar system運(yùn)動(dòng)界面（圖片來(lái)源于華曙高科）

四、結(jié) 語(yǔ)
秉承“開源加速 3D 打印產(chǎn)業(yè)化（Open for Industry）”的理念，華曙高科在以上三方面（原材料，工藝，設(shè)備）向客戶提供最優(yōu)解決方案，并廣泛應(yīng)用于航空航天、義齒、醫(yī)療等領(lǐng)域，大力推動(dòng)3D打印產(chǎn)業(yè)化發(fā)展

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