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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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責任編輯：傳說的落葉時間：2019-06-19 08:54

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[導讀]金屬3D打印過程復雜，影響最終打印質(zhì)量的因素眾多，需要從原材料、工藝、設備三方面綜合管控，才能得到高質(zhì)量的金屬3D打印件。

來源：華曙高科

金屬3D打印過程復雜（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)長期檢驗確保其高度穩(wěn)定可靠，設備（含軟件）需要整體綜合設計保證其可靠性，若任何一個要素沒有考慮到位，則都有可能導致最終的工件打印失敗或質(zhì)量檢驗不合格。

圖1 典型金屬3D打印過程（圖片來源于華曙高科）

圖2 原材料-工藝-設備相互影響關(guān)系（圖片來源于華曙高科）

一、材料端
金屬粉末材料對金屬3D打印成型質(zhì)量至關(guān)重要，對于金屬粉末有嚴格技術(shù)要求，華曙金屬粉末來源于卓越品質(zhì)供應商，同時建立有金屬粉末質(zhì)量控制企業(yè)標準，雙管齊下，保證粉末質(zhì)量。一般情況下，粉末需要檢測的指標有：

1.1.化學成分
各元素含量需滿足相關(guān)國家標準，對于使用的每一批次粉末，至少抽取一罐檢驗，一般金屬元素采用等離子體原子發(fā)射光譜儀檢測，O 、N、 H元素采用氧氮氫分析儀檢測，C元素采用碳硫分析儀檢測。若任意元素檢測結(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)工藝特點需要控制D10，D50，D90，對于每一批次粉末均需采用激光粒度分析儀檢測粒徑分布，（檢測標準：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，來源于華曙高科）

1.3.流動性
金屬3D打印對粉末流動性有確切要求，粉末流動性較差時主要影響鋪粉質(zhì)量，從而影響打印質(zhì)量。對于每批次粉末至少抽取一罐檢驗，采用霍爾流速計進行檢測，檢測標準：GB/T 1482 金屬粉末流動性的測定標準漏斗法（霍爾流速計）。若檢測結(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（華曙自有）

1.4.其他重要指標

粉末形貌，球形度，空心粉率，粉末濕度，松裝/振實密度，休止角等均需進行相應的檢驗。

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人的應用研發(fā)團隊，以及超過25年3D打印行業(yè)應用經(jīng)驗的Philip Cornner等高級海外顧問。該團隊專門從事材料工藝參數(shù)開發(fā)及樣件打印工藝設計工作，為客戶尋找最佳的應用方向，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，該團隊已發(fā)布14種以上材料工藝參數(shù)包并協(xié)助客戶實現(xiàn)超100個成功應用案例。

為了確保工藝參數(shù)穩(wěn)定可靠，實行專題化研究，具體的工藝開發(fā)路線如下圖7所示，經(jīng)重復打印驗證（如義齒數(shù)十萬次），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)試圍繞這四個工藝參數(shù)展開，體積功率密度計算公式如式1-1。

圖8 工藝參數(shù)圖解（圖片來源于華曙高科）

式1-1

打印的基本測試樣件（如圖9）根據(jù)對應的標準進行測試，具體測試標準可以參考表1，對測試結(jié)果進行匯總和數(shù)據(jù)分析，得出最佳的力學性能所對應的參數(shù)。

圖9 工藝調(diào)試所打印的測試樣（圖片來源于華曙高科）

表1 檢測項目和參考標準（來源于華曙高科）

三、設備端
金屬3D打印對于設備要求非常嚴格，需要具備高精度的光路系統(tǒng)，兼顧精度與效率的運動機構(gòu)等。華曙高科設備研發(fā)團隊擁有雄厚技術(shù)實力，由世界知名科學家許小曙博士領(lǐng)銜，涵蓋機械，軟件，光學，PLC，熱場，物理技術(shù)，電子技術(shù)等方向，團隊中擁有多名超過10年以上設計經(jīng)驗的資深工程師。許小曙博士是享譽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 20 年的增材制造經(jīng)驗，獲得過“世界 100 位應用科學領(lǐng)域突出貢獻獎”、“最佳人工智能獎”等世界級獎項，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，華曙設備關(guān)鍵元器件均源于世界頂級供應商。

華曙高科金屬3D打印系統(tǒng)亮點優(yōu)勢有——動態(tài)光學系統(tǒng)
相比F-?鏡，動態(tài)聚焦可實現(xiàn)對光斑的靈活控制，從而可以實現(xiàn)提高打印效率的同時又保證打印質(zhì)量，還可以顯著改善打印部件的表面精度。

圖10 動態(tài)聚集技術(shù)圖解（圖片來源于華曙高科）

圖11 光束質(zhì)量分析測試（圖片來源于華曙高科）

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控制、遠程監(jiān)測、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。

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

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、待支撐面預覽、生成支撐、尺寸補償和校準、建造和工件參數(shù)設定、碰撞檢測、時間和材料估算、掃描路徑預覽、測量等功能。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)和應用研發(fā)提供有效的解決方案；

圖12 Bulidstar 界面（圖片來源于華曙高科）

圖13 Buildstar 切片界面（圖片來源于華曙高科）

Makestar system
MakeStar 軟件用于控制設備所有動作，具備實時圖表監(jiān)控：包含工作腔氧氣含量值的實時曲線圖、循環(huán)系統(tǒng)壓力實時曲線圖、活塞加熱器溫度曲線圖（自上而下排列）；信息欄：實時顯示設備提示、警告及報警消息，可清空操作；狀態(tài)欄：記錄設備當前運行的狀態(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、刮刀、溢粉缸、缸體提升及基板等相關(guān)信息。

圖14 Makestar system運動界面（圖片來源于華曙高科）

四、結(jié) 語
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，設備）向客戶提供最優(yōu)解決方案，并廣泛應用于航空航天、義齒、醫(yī)療等領(lǐng)域，大力推動3D打印產(chǎn)業(yè)化發(fā)展

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