金属铺粉式3D打印全景剖析，解读未来趋势

增材制造又称3D打印，是制造业的一场技术革命。增材制造标称“万物皆可打印”，解决因设计结构复杂而无法实现制造的难题。增材制造技术帮助设计者实现了更多的自由度，充分发挥设计空间，带来产品更大的价值。本技术文章围绕金属铺粉式3D打印设备技术剖析，分析介绍其关键技术及发展趋势。

 

图1：金属铺粉式3D打印设备

 

工作原理
金属铺粉式增材制造以金属粉末为原材料，将3D模型数据在Z方向上切片成为二维平面图形，通过振镜控制激光路径将二维平面图形在粉床上烧结成型，再将二维图形堆叠成为立体零件。

 

图2：结构原理图

 

这项技术集合了信息网络、先进材料与数字制造等多种技术，是先进制造和数字经济的重要组成部分。其特点包括，使行业成本降低、研制周期缩短、优质的轻量化结构、实现“设计引导制造”理念，对产业链组合产生颠覆性影响。结构原理如图2，光路技术如图3所示。

 

图3：光路技术

 

光路
光路由激光器、QBH、振镜、场镜以及保护镜组成。光路决定打印产品的可靠性、稳定性，打印生产效率、表面粗糙度，打印零件的精度，打印零件的材料特性，光学质量如图4所示，重点解决如下：

• 设备核心的光学元器件、驱动系统等决定设备的可靠性和稳定性；
• 设备光路系统实现不用调整激光即可打印多种材料，可实现一机多材；
• 需要研制的功率补偿算法，保证不同设备，不同光束激光功率输出一致性；
• 打印面光束质量M2≤1.1，以适配不同设备，不同光束的打印质量；
• 面光斑差异≤±1μm；
• 可实现层厚加工（10-120μm）。

 

图4：光学质量

 

风场
作为金属3D打印的核心关键技术之一的风场，对于3D打印的过程极其重要，特别是打印幅面越大，技术难度乘机何倍数加大。一方面，打印幅面越大，风速流量损失越大；另一方面，使用大风量时需要确保打印粉床不能被搅动。

 

同时，又要保证在激光烧结过程中所产生的烟雾被快速带走，不能停留在粉床表面对打印部位零件形成氧化等恶性破坏，这些恶性破坏是引发表面质量、零件致密度、各种强度不达标的因素。

 

图5：风场

 

风场如图5所示，风场需要做以下功能及性能研制：

• 打印面风速均匀，风量比例可控，保证烟尘、飞溅的有效去除；
• 兼容层厚（1-120μm）满幅面打印，整版无球化现象；
• 出风口处的风量波动≤5%；
• 场镜下侧配有带惰气保护的光学保护窗，可保证长时间连续打印过程中场镜不受污染，保证了打印质量的稳定性。

 

气体循环系统
气体循环系统包含循环风机集尘过滤箱、预涂料器、离心风机组件、旋风分离机构、电控系统、气路系统、冷凝器、设备进风口、设备出风口及外置。3D打印气体循环系统主要用于创造稳定的惰性环境，提供风量动力源、过滤功能等，确保打印过程的稳定性和材料质量。其核心功能包括气体净化、循环及环境控制。

 

一方面，‌气体净化‌通过吸附或催化反应去除氧气、水分及杂质，维持箱内气体高纯度（如氩气环境）。另一方面，循环风机带动气体流动，均匀排除箱内杂质并稳定压力，确保打印环境均匀性。气体循环系统如图6所示。

 

图6：气体循环系统

 

• 循环气路作用将激光熔融金属粉末产生的烟尘及大颗粒从成形区域迅速分离过滤收集，保证金属粉末不被污染，保持打印粉末表面清洁；
• 循环过滤系统，需要操作方便，更换滤芯安全；
• 包含旋风分离、中效过滤、高效过滤、尾气过滤。中效过滤需要带反冲洗功能，起到延长滤芯使用寿命；
• 成型仓配备氧含量、压力分析仪，压差传感器，成形过程氧含量或者压力达到非正常水平时，设备具备自动报警功能；
• 成型仓需要配置湿化系统及风速仪，湿化系统可以防止更换滤芯自燃，风速仪可以保证吹风口恒风量输出。

 

前处理软件
前处理软件包含加支撑、快速切片、路径规划等功能。一方面，3D打印的零部件都是复杂形态，数据量大，软件需要核心算法，确保数据的完整性，不丢失数据；另一方面，各种的支撑形态，做到极致的无支撑打印。

 

图7：前处理软件
 

再有，需要开发打印优化功能，减少结构因热量而形成应力集中导致变形，导致精度差，甚至开裂；需要开发精细花纹与微孔的工艺，否则在数模中画出大量的极细花纹与微孔，导致数模字节太大，软件无法运行，前处理软件如图7。

 

主要功能：

• 切片速度快、精度高；
• 支撑类型丰富（块支撑、锥支撑、树支撑等）；
• 支持打印顺序优化排序、吹气角度优化、SKYWRITING等功能；
• 种扫描路径（条带、棋盘格、S型正交、轮廓偏置）；
• 定制化扫描路径，路径参数可编辑。

 

控制软件
控制软件需要界面美观，各种功能齐全，操作简便，需要满足工业生产需求。一方面，控制软件上需要包含各种功能，排序需要符合逻辑关系，人性化设计；另一方面，控制软件可以分三层次界面。

 

第一界面属于傻瓜式操作，一键按键打印功能，使用标准工艺数据库，常规打印；第二界面中选取优化、可调配工艺适配功能，具有资深的工艺人员进行修改调配参数，工艺数据最优化，打印效率最高，表面质量最高，精度最高；第三界面属于设备厂家用于恢复出厂设置功能，无论使用者修改了多少参数，都具备一键恢复功能。

 

图8：控制软件
 

另外，3D打印容易发生易燃易爆事故，在控制软件中还需要增设安全功能，以软件的层次再次防止事故时常发生；最后，要有工作日志用于跟踪质量情况，同时也能在出现打印质量发生时查询相关的工作状态参数，用于分析质量原因，控制软件如图8所示。

 

数字化总线技术
总线技术是计算机系统中连接处理器与各部件（如内存、输入输出设备）的公共通信干线，由地址线、数据线和控制线构成，承担信息传输、交换及逻辑控制功能。按功能可分为数据总线、地址总线和控制总线；按传输方式分为串行总线（如USB、I2C）和并行总线；按时钟信号分为同步总线（如SPI）与异步总线（如RS232），数字化总线控制技术如图9所示。

 

图9：数字化总线控制技术

 

在传统控制技术中，以往使用模拟量控制，一方面，模拟量控制技术链接线太多，容易形成干扰；另一方面，对于大数据控制反应慢；再有，特别容易实现自动化，无人工厂，乃至全球多工厂设备的互联性。

 

总体来讲，数字化总线控制技术，兼容性好，数据传输速率高，抗干扰能力强，快速的网络故障定位和诊断，工业控制网络和办公自动化网络的无缝连接。

 

铺粉检测技术
铺粉检测，快速识别粉床上铺粉缺陷状态，通过机器替代人眼进行铺粉质量检测识别，可以尽可能快速地终止或适时调整SLM工艺过程，保证打印质量，铺粉检测技术如图10所示。

 

 

图10：铺粉检测技术

 

缺陷检测技术
缺陷检测，利用卷积神经网络深度学习算法（R-CNN），识别打印过程中的孔隙、裂纹、球化等缺陷，保证打印质量，缺陷检测技术如图11所示。

 

图11：缺陷检测技术

 

熔池检测技术
熔池监测，是一种激光粉床熔融过程中将熔池信息可视化，系统记录打印过程中熔池产生的等离子体辐射强度和熔池形貌数据，捕捉异常数据，改善打印质量，熔池检测技术如图12所示。

 

图12：熔池检测技术

 

材料工艺应用及常用3D打印材料性能指标
目前，金属3D打印材料已经有80多种材料。涉及常规经常用的材料有铁基合金：316L、304、17-4PH、S136、H13、18Ni300、420；钛及钛合金：TC4、TC4 ELI、TC11、TA1、TA15、TA19、NiTi。

 

高温合金：Inconel 625、Inconel718、Hastelloy Alloy X（GH3536）、CoCrMo、CoCrW；铝合金：AlSi10Mg、AlSi7Mg、AlSi12、6061、7075；铜合金：CuSn10、CuCrZr。常用3D打印材料性能指标如表1。

 

 

金属3D打印技术发展趋势
未来，金属3D打印的技术发展将呈现两个维度，一是小而精，尺寸从0.1mm向0.01mm，甚至是往微米级方向发展，同时打印的零部件表面粗糙度由Ra20µm向Ra3.0µm，甚至是1µm方向发展，部分打印后的零部件不需要再次精加工，符合高精度要求。

 

二是大尺寸、大幅面打印，从目前的1m级向2-4m甚至更大尺寸发展。另外，中间尺寸的高效率和低成本，以及设备智能化与连入联网平台，也将成为关键趋势。

 

供稿：周桂兵（深圳市众智信赢精密科技有限公司 ）