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技术干货——高质量的金属3D打印件如何保障?

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技术干货——高质量的金属3D打印件如何保障?

作者:
发布时间:
2019/06/18
【摘要】:
金属3D打印过程复杂(如图1所示),影响最终打印质量的因素众多,需要从原材料、工艺、设备三方面综合管控,才能得到高质量的金属3D打印件。每一批次原材料需要合乎规范要求,工艺需要经长期检验确保其高度稳定可靠,设备(含软件)需要整体综合设计保证其可靠性,若任何一个要素没有考虑到位,则都有可能导致最终的工件打印失败或质量检验不合格。  图1典型金属3D打印过程(图片来源于华曙高科)  图2原材料-工艺-
  金属3D打印过程复杂(如图1所示),影响最终打印质量的因素众多,需要从原材料、工艺、设备三方面综合管控,才能得到高质量的金属3D打印件。每一批次原材料需要合乎规范要求,工艺需要经长期检验确保其高度稳定可靠,设备(含软件)需要整体综合设计保证其可靠性,若任何一个要素没有考虑到位,则都有可能导致最终的工件打印失败或质量检验不合格。
 
 
图1 典型金属3D打印过程(图片来源于华曙高科)
 
 
图2 原材料-工艺-设备相互影响关系(图片来源于华曙高科)
  一、材料端
  金属粉末材料对金属3D打印成型质量至关重要,对于金属粉末有严格技术要求,华曙金属粉末来源于卓越品质供应商,同时建立有金属粉末质量控制企业标准,双管齐下,保证粉末质量。一般情况下,粉末需要检测的指标有:
  1.1.化学成分
  各元素含量需满足相关国家标准,对于使用的每一批次粉末,至少抽取一罐检验,一般金属元素采用等离子体原子发射光谱仪检测,O 、N、 H元素采用氧氮氢分析仪检测,C元素采用碳硫分析仪检测。若任意元素检测结果不在合格范围,则判定该批次粉末不合格。
 
 
图3 电感耦合等离子体原子发射光谱仪(华曙自有)
  1.2.粒径分布
  适用于金属3D打印粉末需要满足一定的粒径分布,根据工艺特点需要控制D10,D50,D90,对于每一批次粉末均需采用激光粒度分析仪检测粒径分布,(检测标准:GB/T 19077.1粒度分析激光衍射法第1部分:通则);若任意参数检测结果不在合格范围,判定该批次粉末不合格。
 
 
图4 激光粒度仪(华曙自有)
 
 
图5 粒径分布图(示意图,来源于华曙高科)
  1.3.流动性
  金属3D打印对粉末流动性有确切要求,粉末流动性较差时主要影响铺粉质量,从而影响打印质量。对于每批次粉末至少抽取一罐检验,采用霍尔流速计进行检测,检测标准:GB/T 1482 金属粉末流动性的测定标准漏斗法(霍尔流速计)。若检测结果不在合格范围,则判定该批次粉末不合格。
 
 
图6 霍尔流速计(华曙自有)
  1.4.其他重要指标
  粉末形貌,球形度,空心粉率,粉末湿度,松装/振实密度,休止角等均需进行相应的检验。
 
 
图7 金属粉末(17-4PH)SEM形貌
  二、工艺端
  金属3D打印工艺参数较多,大致可分为实体填充参数、轮廓参数、支撑参数等。华曙拥有超40人的应用研发团队,以及超过25年3D打印行业应用经验的Philip Cornner等高级海外顾问。该团队专门从事材料工艺参数开发及样件打印工艺设计工作,为客户寻找最佳的应用方向,是客户迈入增材制造世界不可或缺的得力助手。截止到目前,该团队已发布14种以上材料工艺参数包并协助客户实现超100个成功应用案例。
  为了确保工艺参数稳定可靠,实行专题化研究,具体的工艺开发路线如下图7所示,经重复打印验证(如义齿数十万次),确保工艺参数的高度可靠性。
 
 
图8 工艺开发调试流程图(图片来源于华曙高科)
  功率Laser power(p)、速度Scanning speed(v),扫描线间距hatching distance(h),层厚layer thickness(t)是影响金属3D打印效率和性能的关键要素,如图8所示。通常工艺调试围绕这四个工艺参数展开,体积功率密度计算公式如式1-1。
 
 
图9 工艺参数图解(图片来源于华曙高科)
 
 
式1-1
  打印的基本测试样件(如图9)根据对应的标准进行测试,具体测试标准可以参考表1,对测试结果进行汇总和数据分析,得出最佳的力学性能所对应的参数。
 
 
图10 工艺调试所打印的测试样(图片来源于华曙高科)
 
 
表1 检测项目和参考标准(来源于华曙高科)
  三、设备端
  金属3D打印对于设备要求非常严格,需要具备高精度的光路系统,兼顾精度与效率的运动机构等。华曙高科设备研发团队拥有雄厚技术实力,由世界知名科学家许小曙博士领衔,涵盖机械,软件,光学,PLC,热场,物理技术,电子技术等方向,团队中拥有多名超过10年以上设计经验的资深工程师。许小曙博士是享誉世界的粉末床增材制造技术的著名人物和企业家、福布斯杂志封面人物,拥有超过 20 年的增材制造经验,获得过“世界 100 位应用科学领域突出贡献奖”、“最佳人工智能奖”等世界级奖项,曾在全球多家增材制造企业领衔关键技术研发及产业化,与此同时,华曙设备关键元器件均源于世界顶级供应商。
  华曙高科金属3D打印系统亮点优势有——动态光学系统
  相比F-Ɵ镜,动态聚焦可实现对光斑的灵活控制,从而可以实现提高打印效率的同时又保证打印质量,还可以显著改善打印部件的表面精度。
 
 
图11 动态聚集技术图解(图片来源于华曙高科)
 
 
图12 光束质量分析测试(图片来源于华曙高科)
  软件系统
  华曙高科自主研发的增材制造一体化开源软件操作系统,集合制造与故障诊断温场控制、远程监测、数据反馈与集成控制等功能于一体,是将增材制造多个模块功能集成一体的系统控制软件,也是具有开源性特征的3D打印软件系统,突破了欧美增材制造企业原有封闭式软件的技术局限,成为本领域开放式软件平台。
  客户使用华曙自主研发软件就可以进行完整的模型预处理和设备控制,不需要投资购买任何第三方软件。
  Buildstar system
  Buildstar软件用于烧结工作包的排布,具备STL 排包( 平移, 旋转等)、尺寸缩放、待支撑面预览、生成支撑、尺寸补偿和校准、建造和工件参数设定、碰撞检测、时间和材料估算、扫描路径预览、测量等功能。华曙秉承开源理念,开放烧结参数供用户调整,为客户的材料研发和应用研发提供有效的解决方案;
 
 
图13 Bulidstar 界面(图片来源于华曙高科)
 
 
图14 Buildstar 切片界面(图片来源于华曙高科)
  Makestar system
  MakeStar 软件用于控制设备所有动作,具备实时图表监控:包含工作腔氧气含量值的实时曲线图、循环系统压力实时曲线图、活塞加热器温度曲线图(自上而下排列);信息栏:实时显示设备提示、警告及报警消息,可清空操作;状态栏:记录设备当前运行的状态,包含工作腔门、气路控制、激光、加热器、成型缸活塞、缸体转运、刮刀、溢粉缸、缸体提升及基板等相关信息。
 
 
图15 Makestar system运动界面(图片来源于华曙高科)
  四、结 语
  秉承“开源加速 3D 打印产业化(Open for Industry)”的理念,华曙高科在以上三方面(原材料,工艺,设备)向客户提供最优解决方案,并广泛应用于航空航天、义齿、医疗等领域,大力推动3D打印产业化发展。(来源:华曙高科)
  河北敬业增材制造科技有限公司成立于2015年,总投资规模23.4亿元人民币,是全国500强企业---敬业集团的全资子公司,公司位于河北省石家庄市平山县南甸镇敬业集团工业园区,是一家集专业研发、生产、销售高端气雾化金属粉末、激光再制造、3D打印服务于一体的全流程增材制造公司。
  我公司现有EOS M290打印机8台,EOS M400-4 1台,Arcam 电子束粉末快速成形系统和铂力特S310各1台,其中EOS M400-4属国内先进设备,配备四个激光头,打印效率是E0S M290单激光头的3倍以上,具有成型精确、材料利用率高等优点;公司致力于为各制造领域客户提供金属3D打印整体解决方案,业务主要涉及到航空航天零部件、模具、医疗器械及骨科植入物、汽车制造,船舶制造等领域。