金属 3D 打印面临的 5 个常见问题——以及如何解决这些问题

金属 3D 打印在过去几年取得了令人瞩目的进步，公司越来越多地投资于高度复杂的工业应用技术。然而，除了生产轻巧、精密的金属部件的优势外，在金属 3D 打印过程中还需要克服许多挑战。今天的教程将探讨 3D 打印金属时面临的主要问题，以及如何解决这些问题。

谈到金属 3D 打印，有一系列打印工艺。这些可以大致分为三组：

粉床融合 是使用 AM 生产金属零件的最常见方法，涉及使用激光束 (SLM) 或电子束 (EBM) 选择性地熔化一层粉末材料，均匀分布在构建平台上。

直接能量沉积 涵盖一系列技术，通常涉及在材料沉积到构建平台之前通过激光或电子束熔化材料的过程。然后一层一层地形成物体。虽然聚合物和陶瓷可用于此工艺，但 DED 通常用于粉末或金属丝形式的金属。

金属粘合剂喷射 使用打印头将液体粘合剂涂在粉末层上，将粉末颗粒一层一层地融合在一起。然后可以选择用另一种金属（通常是青铜）渗透结合的粉末以达到更高的密度。

每个过程都有其优点和局限性，但在 3D 打印金属时通常会出现一些常见问题——这些挑战必须是为了让您的金属 3D 打印部件获得最佳机械特性。

3D 打印的金属零件经常受到高孔隙率的困扰，这种情况发生在打印过程中，因为零件内会形成小孔和空腔。这些微小的、通常是微观的孔隙会导致低密度——孔隙越多，零件的密度越低。它们还会直接影响零件的机械性能，使其容易出现裂纹或其他损坏，尤其是在承受高负载时。

高度多孔的 3D 打印金属零件通常有两个主要原因：要么是由于粉末生产技术的问题，要么是由于 3D 打印过程本身。例如，使用气体雾化有时会导致粉末材料中形成孔隙。然而，这种小孔的更常见来源是印刷过程，当能量不足时，无法正确熔化金属。反之亦然：过多的激光能量会导致熔化材料的液滴飞溅，从而产生气孔。

如何减少金属零件的孔隙率

幸运的是，有多种方法可以消除 3D 打印金属零件中的孔隙并获得更坚固、更耐用的零件：

金属 3D 打印零件的工业应用经常需要高机械性能，这就是为什么零件的密度非常重要。当零件在循环应力条件下运行时，其密度将决定零件是否会在负载下失效。换句话说，零件的密度越低，它就越有可能在压力下开裂。粉末床技术（SLM、EBM）可以生产密度为 98% 或更高的零件，这对于压力应用至关重要。

提高零件的密度

为确保零件具有一致的质量和密度，有必要优化材料的特定参数，例如粒度、形状、分布和流动性。例如，球形颗粒可以导致更高的密度，因为与其他形状相比，它们可以获得最大的相对密度。

但是，由于有一系列变量会影响零件的密度，因此一般的经验法则是首先考虑金属粉末的质量，然后相应地调整工艺参数。

加热和随后的冷却是金属 AM 工艺的共同特征。然而，当零件经受如此极端的热变化时，这可能会导致残余应力。残余应力对制造零件的完整性产生不利影响，导致不同形式的变形。残余应力最集中的部位是打印件底部和打印床之间的接触区域。

降低残余应力

由于残余应力会导致金属打印成功与结构失效之间存在差异，因此应妥善解决此问题，并且有多种方法可以解决：

预测建模可用于估计适当的参数，例如热输入和层厚度，以构建具有低残余应力的组件。
实施支撑结构和优化零件方向也可以最大限度地减少残余应力的发生。
在打印开始前预热打印床和构建材料可降低温度梯度，这通常是导致残余应力的原因。但是，由于 EBM 在较低温度下运行，因此该技术在 EBM 上比 SLM 或 DED 更成功。
在粉末床融合工艺中，“岛”扫描策略有助于减轻残余应力的积累。这种策略的工作原理是将曝光区域分成更小的部分，称为“岛”，并保持扫描矢量的长度更短。

残余应力具有很强的破坏性，会导致零件出现许多结构问题，其中最常见的是开裂和翘曲。当熔化的金属在打印后冷却时，通常会出现此类问题。冷却会导致收缩，从而使零件的边缘卷曲并变形。在极端情况下，应力会超过零件的强度，导致零件开裂（如果粉末材料没有适当熔化，也会出现开裂）。

防止开裂和翘曲

有两种主要方法可以防止金属部件开裂和翘曲。一种选择是预热打印床，而另一种选择是提高零件与打印床的附着力并放置必要数量的支撑结构。热后处理还可以帮助修复小裂缝，同时在您的部件上建立正确数量的支撑结构基本上是为了防止翘曲。

通常，金属部件在首次打印时还没有准备好用于最终应用，需要进行某种形式的后处理，例如去除粉末和支撑物、热处理和表面处理。但很多时候，您会在后期处理步骤中遇到一些挑战。

例如，您可能会面临移除零件上的支撑结构的挑战。例如，如果您的金属零件在小孔和管中具有支撑，就会发生这种情况。这些可能很难在不损坏零件的情况下移除，并且需要进行后续加工。

表面粗糙度是另一个问题。用于高端应用的增材制造部件需要平均表面粗糙度——但 3D 打印部件通常具有粗糙的表面，并且需要额外的后处理，如机加工、研磨或抛光，以获得更好的光洁度。由于表面粗糙度与层厚直接相关，因此可以通过印刷更薄的层来减轻表面粗糙度。但是，使用更精细的层生产零件会显着增加构建时间。

不正确的粉末熔化也可能导致粗糙的表面。当没有足够的能量来完全熔化金属时，就会发生这种情况。在这种情况下，可以通过增加激光功率来降低表面粗糙度。

虽然在使用 AM 生产金属零件时存在一系列潜在挑战，但了解这些挑战是生产高质量、可靠组件的第一步。随着金属 3D 打印的持续增长，我们肯定会看到工业应用中使用的增材制造金属部件的使用量增加。

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