電子束3D打印模型處理對鈦合金零件成形精度的影響

賈 亮，劉 楠，楊廣宇，楊 坤，石 英，王 建，湯慧萍

(西北有色金屬研究院 金屬多孔材料國家重點實驗室,陜西 西安 710016)

0 引 言

隨著計算機科學技術、自動控制技術以及數字化信息技術的高速發展，推動了制造業向工業4.0快速邁進，傳統的制造業加工工藝已無法滿足現今集成化、一體化的高度復雜異形結構零件的加工制造。3D打印技術憑借其自動、快速、精確、可由計算機三維模型直接驅動成形各種復雜異形零件等技術優勢，成為先進制造領域最受歡迎的高新技術之一。該技術極大地縮短了產品研發周期，降低了產品研發成本[1]。按照能量源的不同,金屬3D打印技術可分為電子束3D打印技術(Selective electron beam melting，SEBM)和激光3D打印技術(Selective laser melting，SLM)。二者均可通過粉床鋪粉法制造金屬3D打印零件，均以金屬粉末為原料，采用計算機軟硬件控制方式，直接驅動三維CAD模型成形實體零件。電子束3D打印較激光3D打印具有打印速度快、能量密度高、成形零件內應力低等技術優勢，并可在真空環境下打印使成形材料純凈無污染，但其成形零件尺寸精度相對于激光3D打印較差，成為制約其在各行各業廣泛應用的瓶頸。同時TC4鈦合金又廣泛應用于航空航天、石油化工以及醫療器械等領域，因此研究粉床電子束3D打印TC4鈦合金零件的成形精度誤差來源，對于進一步提高打印零件的成形精度具有重要意義[2-5]。

3D打印需要三維模型驅動成形，零件模型的處理是影響其最終成形精度的最關鍵因素之一。本研究使用Arcam A2電子束快速成形機打印出了幾種典型形狀的TC4鈦合金零件，分別對其進行精度檢測，然后探究打印后模型精度變化的原因，著重分析模型處理階段影響成形精度的誤差來源，并提出改進措施，為提高粉床電子束3D打印鈦合金零件的成形精度提供參考。

1 實 驗

1.1 實驗材料

實驗原料為瑞典Arcam AB公司提供的球形氣霧化TC4鈦合金粉末，其化學成分見表1，滿足ASTM F1108增材制造粉末標準。圖1為TC4鈦合金粉末的形貌及粒度分布圖。該粉末呈球形且伴有少量的衛星粉，粒度分布在42～106 μm之間。

圖1 TC4鈦合金粉末形貌及其粒度分布Fig.1 Morphology(a) and size-range distribution(b)of TC4 titanium alloy powder

Table 1 Chemical composition of TC4 titanium alloy powder

1.2 成形過程

采用Arcam A2電子束3D打印設備進行TC4鈦合金零件的成形。該設備電子束束斑直徑為0.1 mm，最大掃描速度為8 000 m/s，最大成形尺寸為200 mm×200 mm×350 mm。成形工藝參數:模型切層厚度50 μm，底板預熱溫度730 ℃，預熱電流30～38 mA，預熱電子束掃描速度(10～13)×103mm/s，熔化電流20 mA，熔化電子束掃描速度4.5×103mm/s。

電子束3D打印成形金屬零件的原理:首先在成形零件前，對成形底板和金屬粉末進行預熱處理，其目的是為了降低粉層之間的溫度梯度，減少零件的成形殘余應力；其后，計算機控制系統根據零件各層截面的CAD數據，通過控制聚焦電流和掃描偏轉電流來控制電子束的偏轉角度，有選擇地掃描熔化預先鋪好在工作平臺上的金屬粉末，沒有被掃描熔化的金屬粉末仍為松散狀態；當一層加工完成后，工作臺下降一個層厚的高度，再進行下一層金屬粉末的鋪粉和熔化，此時新熔化的粉層與之前熔化的粉層會熔合為一體，重復上述過程直到零件加工完成[6-10]。

電子束3D打印成形工藝包括軟件模型處理部分和硬件參數控制部分，如圖2所示。

圖2 電子束3D打印成形工藝流程圖Fig.2 Flow chart of SEBM forming process

軟件模型處理部分的步驟為:用三維設計軟件繪制零件的三維CAD模型,然后生成STL格式的數據接口文件;將生成的STL模型數據文件導入專用的3D打印模型處理軟件magics中，根據材料設置模型的縮放系數(TC4鈦合金模型尺寸的補償系數：X為1.008 6，Y為1.008 6，Z為1.009 3)，然后擺放打印模型并添加支撐;將處理好的三維模型數據導入Build Assembler剖分軟件進行三維模型切片分層處理，得到ABF格式二維層片數據信息。

硬件參數控制部分的步驟為:向成形室的左右2個粉倉添加金屬粉末，調整熱電偶，調平不銹鋼底板，調整鋪粉量，關閉成形室門啟動真空泵抽真空；通過EBM Control控制系統設置成形材料，根據成形材料設置預熱時間、掃描電流、掃描速度等工藝參數；當真空度達到設定值后，啟動電子束進行位置精度校準；預熱成形底板達到設定溫度后，電子束按照二維層面信息掃描熔化金屬粉末。

設備打印開始前，先將真空抽到0.05 Pa以下，然后給鎢燈絲通電，待其溫度升高到2 500 ℃以上時，由施加的60 kV高壓將鎢燈絲的電子引出，釋放的電子經過加速電場加速后具有一定的動能，再通過聚焦線圈和偏轉線圈將電子轟擊到指定位置的金屬粉末上，此時電子束的動能將轉化為熱能，熔化鋪設金屬粉末并使其沉積在底板上，再層層堆積成零件；待設備打印完成，機器溫度降到常溫后，打開成形倉門并用專用工具取出零件粉堆，將取出的零件粉堆送入粉末回收系統(PRS)，用高壓氣體吹出零件周圍松散的金屬粉末，再去掉支撐后，便可得到三維零件實體。

1.3 打印模型及精度檢測

以幾種典型形狀TC4鈦合金零件為打印對象，具體模型尺寸見表2。通過粗糙度測試儀、Handyscan 700高精度三維掃描儀、三坐標測試儀以及Geomagic Qualify圖形質量分析軟件等檢測技術分析成形零件的精度誤差。

表2電子束3D打印TC4鈦合金零件模型及尺寸

Table 2 Models and size of TC4 titanium alloy parts by SEBM

2 結果與討論

2.1 模型繪制引入的誤差

圖3為粉床電子束3D打印的φ90 mm×120 mm圓柱體軸類零件實物圖，經檢測其成形尺寸為φ89.40 mm×119.60 mm，表面粗糙度Ra為26.3 μm。該零件表面具有沿徑向的等間距條紋，條紋間距為6.00 mm，并且環繞圓柱體外徑一周，將圓周變為邊長為6 mm的多邊形。生成的條紋嚴重影響了圓柱體軸類零件的同軸度，并造成零件的配合間隙增大。導致此類誤差的原因主要是:在電子束3D打印鈦合金零件的模型數據處理階段，使用三維制圖軟件CATIA進行三維CAD模型設計時，存在模型精度設置的問題。精度設置高了對計算機顯卡要求會很高，特別是對于曲面較多的模型，比較占用計算機顯存，有時三維圖像設計人員為了提高作圖速度，將軟件的作圖精度設置的比較低。圖4為將三維軟件CATIA繪制的精度分別設置為0.02 mm和0.1 mm的圓柱體模型導入Geomagic Qualify圖形質量分析軟件后的模型對比圖。從圖4可以看出，精度設置為0.02 mm的圓柱模型表面光滑，無條紋狀棱角。因此在保存三維模型時，如果設計人員不做精度設置修改，將導致需要打印的原始模型數據精度不夠，從而導致打印出的圓柱體軸類零件誤差較大。通過打印前檢測零件模型精度的方法可避免此類模型處理誤差的引入，提高圓柱體軸類零件的打印成形精度。

圖3 電子束3D打印圓柱件實物圖Fig.3 Photo of cylindrical part fabricated by SEBM

圖4 精度設置分別為0.02 mm與0.1 mm的圓柱模型效果圖Fig.4 The renderings of cylindrical models with the accuracy setting of 0.02 mm(a) and 0.1 mm(b) respectively

2.2 模型剖分引入的誤差

圖5a為粉床電子束3D打印的20 mm×20 mm×20 mm點陣多孔體零件實物圖。經檢測，多孔體最大外廓尺寸為20.12 mm×20.24 mm×19.96 mm，表面粗糙度Ra為33.5 μm。從與模型圖的對比中可以看出，打印的多孔零件上部分孔隙被封堵。該封堵現象降低了多孔零件的通孔率和孔隙率，在零件使用過程中會阻礙氣流或液體等介質在多孔零件中的流通性。通過對粉床電子束3D打印各工藝環節進行分析，發現該誤差的產生發生在Build Assembler剖分軟件剖分多孔模型階段，見圖5b。造成此類誤差產生的原因主要是:在三維模型數據由繪圖軟件默認圖形數據格式轉換成STL格式時，導致了模形精度降低。一般3D打印模型數據普遍采用STL數據格式，該數據格式定義下的模型是由成千上萬個三角面片組成[11]，每個三角面片由組成該三角形的3個頂點坐標和三角面的法向量定義，三維模型的外形輪廓由一定數量的小三角面片近似逼近，三角網格劃分越小，模型數據量越大，同時三維模型精度也越高，3D打印零件的精度也越好。由于采用近似逼近的方式來表達原始三維模型，在原始三維CAD模型轉換成STL模型時，必然會存在模型信息的丟失，從而產生一定的誤差。同時，切層處理是3D打印模型數據處理的核心過程，使用不同的切片算法會直接影響切層的速度和質量。模型的擺放位置確定之后，將對模型進行三維轉二維的切層處理。切層軟件通過垂直于零件生長方向的一組平行平面對STL格式的模型文件進行切割處理，得到模型的每一層截面輪廓信息，兩層平行平面之間的距離為切層厚度，由于STL模型精度與軟件采用的切層算法之間的匹配度不夠，在切層過程中會出現同層之間及層與層之間三角面片信息的丟失或填補新的信噪，從而造成較大的切層誤差。解決此類問題不但要從提高STL數據的精度入手，而且要優化切層算法，特別是要避免在處理模型輪廓數據時出現刪除過多或粘連過多的無效片層數據，提高切層的精度水平，保持模型原貌。

圖5 電子束3D打印多孔體零件實物圖和Build Assembler軟件剖分的多孔模型切層Fig.5 Photo of lattice part fabricated by SEBM(a) and cut-layer of lattice porous part cutted by Build Assembler(b)

2.3 模型擺放引入的誤差

圖6為直徑1 mm的細圓柱零件在不同擺放角度下的打印模型。圖7為以不同角度擺放的模型經電子束3D打印后零件的直徑尺寸分布圖。從圖7中可以看出，細圓柱零件的尺寸偏差在0～0.2 mm之間，且尺寸偏差隨機分布，出現這種情況一方面是受限于電子束3D打印系統的制造和裝配精度等硬件自身條件，甚至包括打印過程中設備自身的震動；另一方面，同一模型因擺放角度不同會出現成形尺寸偏差。因此，為了降低因模型擺放引起的偏差，應盡量將相同零件按照同一方向擺放，以減少擺放角度對精度的隨機性影響。

圖6 以不同角度擺放的細圓柱零件模型Fig.6 The needle cylindrical parts model with different inclination angles

圖7 不同擺放角度下3D打印的細圓柱零件尺寸分布圖Fig.7 Size distribution of needle cylindrical parts fabricated by SEBM at different inclination angles

2.4 添加支撐引入的誤差

圖8為電子束3D打印的復雜異形零件實物圖及添加支撐后的打印模型。經檢測，復雜異形零件的成形尺寸為27.12 mm×47.80 mm×51.10 mm，表面粗糙度Ra為30.2 μm。打印這種具有懸空結構的零件時，為了防止懸空部位在打印成形時坍塌，需要在懸空部位添加支撐，待打印結束后再將支撐部分剝離。對于金屬零件，一般采用手工剝離支撐，此過程特別容易造成零件表面損壞或薄壁件變形，并且支撐與打印零件接觸的部位會形成直徑0.2～0.6 mm的近球形金屬凸起點。這種金屬凸起點很難去除清理，需要進行表面打磨拋光處理。因此在滿足零件高精度成形要求的情況下，應盡量減少支撐結構的設置，且設置的支撐部位應便于后期拆除。

圖8 電子束3D打印復雜異形零件實物圖及添加支撐后的打印模型Fig.8 Photos of the irregular part fabricated by SEBM(a) and the model with support(b)

2.5 支撐參數設置引入的誤差

圖9為電子束3D打印制備的薄壁零件實物圖及模型擺放圖，其最大外廓尺寸為209.88 mm×80.12 mm×175.14 mm。為了便于三坐標測量機及三維掃描儀進行測量,對薄壁件表面進行了輕度噴砂處理，噴砂后表面粗糙度Ra由30 μm降低為6.3 μm。該零件因有大量的曲面懸空而應用了支撐結構進行輔助成形，且成形精度受支撐參數的影響較大。

圖9 電子束3D打印薄壁零件實物圖及模型擺放圖Fig.9 Photos of the thin wall part fabricated by SEBM(a) and the designed model(b)

采用高精度三維掃描儀測量支撐參數分別設置為10 mm和6 mm的薄壁件的3D尺寸，結果見圖10。從圖10a可以看到，支撐參數設置為10 mm時，構件上部三角形表面區域出現了-0.79 mm的尺寸偏差。出現該尺寸偏差的原因為:上部三角面區域與成形底板為平行關系，二者中間為中空結構，如果不加支撐，單純依靠粉床的支撐作用成形，松散狀態的粉床提供的支撐力不足，會造成成形部分的大面積塌陷。如果成形過程中所用支撐過少，同樣不能產生足夠的支撐力，會造成成形零件懸空表面局部的下陷，影響成形精度。將支撐參數設置為6 mm，增加了中空部分的支撐密集程度,增大了成形過程中的支撐力，從而可減少上部三角區域成形中的下陷情況。從圖10b可以看出，支撐調整后，上部三角區域的下陷情況得到明顯改善，尺寸偏差控制在-0.45 mm以內，與利用三坐標測量方法所得-0.3～-0.5 mm尺寸偏差數據基本吻合。由此可見，通過支撐參數的合理設置，有助于提高零件主體中空部分的成形精度，確保打印成形過程順利進行。

圖10 三維掃描儀測量得到的不同支撐參數的薄壁件尺寸Fig.10 Size scanning results of thin wall parts with different support parameters by three-dimensional scanner: (a)10 mm;(b)6 mm

3 結 論

(1)對于圓柱體軸類零件，模型繪制時的精度設置會制約成形件的打印尺寸精度，設置精度過低會導致多邊形效應。模型精度設置為0.1 mm，會出現6 mm條紋間距，環繞直徑為89.40 mm的圓柱體一周。將模型精度設置提高到0.02 mm，多邊形效應消失，可有效提高零件的成形精度。

(2)對于點陣多孔零件，在模型剖分時由于STL模型的精度誤差和軟件采用的切層算法與模型的匹配度不夠，在切層過程中會出現同層之間、層與層之間三角面片信息的丟失或填補新的信噪，造成較大的切層誤差，導致局部孔隙封堵。提高STL數據的精度，優化切層算法，檢查切層結果，保持切層前后模型的原貌是解決該問題的途徑。

(3)對于直徑為1 mm的針狀細圓柱零件，其偏差在0～0.2 mm之間隨機分布，擺放角度不同增加了這種偏差的隨機性。將相同零件按照同一方向擺放，可以減少擺放角度對精度的隨機性影響。

(4)異形件具有較多的懸空結構，為了避免局部坍塌需要添加較多支撐，在拆除支撐結構時容易造成零件表面破壞或變形，還會殘留直徑約0.2～0.6 mm的金屬凸起點。因此對于異形件，應在滿足成形精度的前提下合理布局，減少支撐。

(5)薄壁零件的支撐參數設置對成形精度十分敏感，將支撐參數由10 mm改為6 mm，可增加支撐密度，提高支撐力，使塌陷區域的成形偏差由-0.79 mm降低到-0.45 mm，有效提高零件中空部分或懸空部分的成形精度。