金屬3D打印機是選擇性地燒結金屬粉末進行積層的裝置，目前主流的燒結熱源有兩種，即采用激光束的方式和采用電子束的方式。兩種方式的輸出功率和掃描速度各不相同，這與積層面整體是否是一層一層預熱密切相關。預熱與否會影響殘余應力和粉末去除性，目標形狀的實現(xiàn)也將發(fā)生變化。
日前有研究機構對基于激光束和電子束的金屬3D打印技術進行了對比研究，研究結果匯總如下。
研究機構分別使用了兩款典型的金屬3D打印設備：激光束式“EOSINT M280”（德國EOS公司）和電子束式“Arcam A2X”（瑞典Arcam公司），作為近凈成形部件加工的加工裝置。
這兩種方式的最大造型尺寸基本相同，均為250mm見方，最小積層厚度約為50μm＊1。主要不同在于激光束或電子束的輸出功率及掃描速度。輸出功率方面，激光束式為400W，而電子束式高達3500W，掃描速度方面，激光束式為7m/s，而電子束式高達8000m/s，二者差距巨大。電子束式利用掃描速度的優(yōu)勢，造型時一層一層掃描造型臺整體進行預熱（提高金屬粉末的溫度）后，再開始燒結截面形狀。
＊1 金屬粉末材料為Ti-6Al-4V時，EOSINT M280的最大造型尺寸為250×250×325mm，Arcam A2X為200×200×380mm，EOSINT M280的積層厚度為30μm或60μm，Arcam A2X為50μm。
預熱與否結果大不相同
那么，預熱與否結果會怎樣變化呢？目前了解的主要有兩大直接影響（圖1）。
圖1：預熱和不預熱的特征差別
激光束式不實施預熱，電子束式實施預熱。由此，殘余應力的大小和造型物以外的粉末狀態(tài)會發(fā)生變化，造型后的工序各有利弊。
首先，所需支撐體＊2的貼附情況有所不同。這是因為，不實施預熱的激光束式的溫差會變大，導致殘余應力升高，造型品需要承受這種殘余應力。需將支撐體牢牢貼附在第一層接觸的基底上，支撐體的尺寸會相當大。從基底移除支撐體時比較困難，因此造型后需要通過機械加工等做最后的處理。
＊2 支撐材料：為防止造型品的自重等造成目標形狀變形而附加的部分。需要在造型后去除。
而電子束式的溫差小，殘余應力低，因此僅用支撐凹槽部分的支撐體就完全可以造型。“貼附用手就能彎曲的薄支撐體造型即可，去除時用手稍微彎一下，或用鉗子稍微擰一下就能去除”。
如上所述，從支撐體（殘余應力）來看，電子束式比較占優(yōu)勢，不過激光束式也有優(yōu)勢。那就是粉末去除性。
實際上，預熱后金屬粉末會“變成類似假燒結的狀態(tài)”。利用激光束式的話，造型范圍以外的部分可以直接作為粉末取出，而電子束式由于進行了預熱，造型臺整體的粉末為略微凝固的狀態(tài)。
這種變成假燒結狀態(tài)的多余部分也可以通過噴砂清理去除，不過噴不到的部分則難以去除。擁有復雜電路的部件存在無法完全去除多余部分的問題。
利用獨自的造型樣品進行確認
為調查粉末去除性等會對實際造型物的精度和形狀再現(xiàn)性產生什么影響，研究機構用這兩種方式的3D打印機打印了Ti-6Al-4V的造型樣品并進行了比較（圖2）。為確認以下六點，專門設計了樣品。這六點包括：（1）如果沒有支撐體，造型時的最大倒塌角度是的多大（極限造型角度）、（2）能再現(xiàn)多小的橫孔（橫孔形狀、粉末去除性）、（3）圓棒的最小直徑和高度、（4）板的最薄厚度和高度、（5）縫隙部分和邊緣部分的形狀、（6）銳角部分的形狀。
圖2：用于確認造型極限的樣品的3個正射圖
為確認形狀再現(xiàn)的極限，準備了對孔和棒的直徑以及積層方向的角度等進行了改變的樣品。在沒有支撐體的情況下打印了該形狀。
打印的樣品形狀的照片見圖3。從設計尺寸來看，尺寸為20mm和30mm的部分，精度在0.1mm以下，而尺寸為105mm（樣品寬度）的部分，產生了0.3mm以上的誤差。這個結果比目錄參數(shù)稍差一些，不過“通過調整積層條件可以改善，只不過是個參考值”。
圖3：外觀形狀的結果
測量造型樣品的尺寸，與設計值進行了比較。還測量了表面粗糙度。設計尺寸參照圖2的正射圖。
下面來看一下對這六點進行驗證的結果（圖4）。
圖4：用于確認造型極限的樣品造型結果
激光束式和電子束式對形狀的再現(xiàn)性均有擅長和不擅長的部分。
（1）極限造型角度方面，經確認，所有裝置在相對于水平面約30度的角度下都發(fā)生形狀崩塌。40度時沒有發(fā)生，因此低于40度的角度應該需要用支撐體造型。
（2）橫孔方面，在激光束式中，φ（直徑）為0.5mm的孔出現(xiàn)變形，但φ為1～10mm可以再現(xiàn)孔的形狀，并去除粉末。
而在電子束式中，φ為0.5～8mm的孔就堵死了。這是因為，預熱導致假燒結，實施噴砂清理時，小直徑的孔噴不到。“如果是直線形狀，用鐵絲等捅一捅就能去除粉末。不過，如果是冷卻水管等形狀復雜的構造部件，應該很難去除粉末”。
（3）圓棒的最小直徑和（4）板的最薄厚度方面，激光束式比較有優(yōu)勢。以圓棒為例，激光束式針對φ0.3mm的設計值能再現(xiàn)φ0.29mm的圓棒，而電子束式在設計值為φ0.3mm和φ0.5mm時，都是再現(xiàn)φ0.75mm的圓棒。估計是因為激光束式不會出現(xiàn)假燒結，所以僅掃描的部分幾乎完全正確地進行了燒結。
不過，對這種細薄形狀進行細長造型時，在積層方向的高度方面，電子束式比較占優(yōu)勢。利用激光束式進行薄板造型的話，厚度為0.3mm時最大只能造型7.3mm的高度。估計是因為，造型中的殘余應力導致變形，造成了層間錯位。
（5）縫隙部分和邊緣部分的形狀方面，實際的造型物均比設計值稍窄一些，其中激光束式的偏差相對較小，再現(xiàn)性更出色。#p#分頁標題#e#
（6）銳角部分的形狀也是激光束式的形狀再現(xiàn)性更優(yōu)異，而電子束式沒有因為變形導致形狀崩塌。
通過HIP處理提高疲勞強度
上面介紹了利用3D打印機造型的立體模型的形狀再現(xiàn)性，接下來看一下立體模型的機械強度。研究機構公司通過在高溫環(huán)境下施加高壓氣體的HIP處理，驗證了特性變化。
近年的金屬3D打印機通過提高粉末的品質和熱源的輸出等，大幅提高了立體模型的密度。不過，立體模型依然會殘留微小的氣泡（氣孔）。該公司觀察截面發(fā)現(xiàn)，“造型后出現(xiàn)了多個20μm以下的氣孔”。
該公司通過HIP處理擠破了這些氣孔。實施密度測量確認，密度有所改善＊3。機械強度方面，經過HIP處理后，拉伸強度有所降低，不過斷裂伸長率得到改善。激光束式和電子束式在實施HIP處理前和處理后“都實現(xiàn)了比作為普通鈦64銷售的板材優(yōu)異的值”。
＊3 觀察截面組織發(fā)現(xiàn)，由于激光束式不進行預熱就造型，因此溫度變化比較激烈，從組織上來看，形狀與實施溶體化和時效處理后的組織非常接近。而電子束式由于實施了預熱，組織形狀看上去像是混合了針狀組織一樣。晶粒的生長方向均朝著積層造型方向生長。由于通過HIP處理進行了加熱，二者整體都變成了針狀組織。
通過HIP處理有望大幅改善的是疲勞強度。研究機構公司實施旋轉彎曲疲勞試驗發(fā)現(xiàn)，激光束式和電子束式都通過HIP處理提高了疲勞極限（圖5）。
圖5：旋轉彎曲疲勞試驗的結果
激光束式的疲勞強度（應力振幅）稍高一些。不過，通過實施HIP處理，疲勞強度大幅提高，二者基本相同了。
具體而言，從實施107次疲勞試驗后的應力振幅（疲勞強度）來看，激光束式單體（造型后的狀態(tài)）的應力振幅為360～370MPa，電子束式單體約為250MPa，而經過HIP處理后確認，強度都提高到了600MPa。
以上介紹了研究機構公司針對金屬3D打印機的形狀再現(xiàn)性和機械強度實施驗證的結果。這些驗證只是該公司在目前擁有的積層條件下實施的。山本表示，“為了實現(xiàn)更出色的造型，今后還將大力開發(fā)積層條件”。
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