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，目標形狀的實現也將發生變化。

　　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會發生變化，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，電子束式比較占優勢，不過激光束式也有優勢。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”。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。

　　這種變成假燒結狀態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度的角度下都發生形狀崩塌。40度時沒有發生，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的孔出現變形，但φ為1～10mm可以再現孔的形狀，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，激光束式比較有優勢。以圓棒為例，激光束式針對φ0.3mm的設計值能再現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φ0.75mm的圓棒。估計是因為激光束式不會出現假燒結，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，再現性更出色。（6）銳角部分的形狀也是激光束式的形狀再現性更優異，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）。該公司觀察截面發現，“造型后出現了多個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“都實現了比作為普通鈦64銷售的板材優異的值”。

　　＊3　觀察截面組織發現，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現，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）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，“為了實現更出色的造型，今后還將大力開發積層條件”。