过程中断对不同材料SLM金属3D打印性能的影响

在上期内容中，3D打印技术参考介绍了过程中断对电弧增材制造材料组织和性能的影响，以及对再制造和修复带来的启发。相比于电弧增材制造工艺，激光粉末床熔融（L-PBF）则是应用最广的金属3D打印技术。针对钛合金、镍基合金和不锈钢材料，学术界已经详细研究了加工参数与微观结构和机械性能之间的相关性，确定了传统制造和增材制造零件之间的差异。

过程中断对于激光粉末床熔融工艺来说也有可能发生，如在制造过程中嵌入传感器、添加粉末材料或由于打印过程不稳定导致构建中断，也可能由于停电或气体保护问题引起。

过程中断对SLM制造316L不锈钢力学性能的影响

瑞士增材制造创新中心、苏黎世联邦理工学院机床与制造研究所的研究人员于2019年对工艺中断造成的L-PBF工艺制造316L不锈钢的研究发现：将断裂位置设计在拉伸样条的中间位置，在静态条件下，水平方向拉伸棒的屈服强度和极限拉伸强度下降了13%和11.5%，垂直方向拉伸棒的屈服强度和极限拉伸强度下降了18%和17.5%，断裂伸长率在垂直方向上不受影响，在水平方向上增加。然而，巴黎萨克立大学的研究人员在2022年的研究结果则不同，在将中断位置设置在中间平面下方6mm处，在空气环境中静置了三小时，静态力学条件下的测试显示，中断过程对垂直制造试样的抗拉强度、屈服强度以及延伸率几乎没有影响。同时，后者的研究指出，因在垂直构件中嵌入光学传感器而发生的过程中断并不会降低零件的力学性能。两项研究所使用的的设备分别为Concept Laser M2和TruPrint 1000

316L不锈钢 L-PBF制造过程中断机械性能测试数据（来自巴黎萨克立大学）

过程中断对SLM制造In625、In718和AlSi10Mg力学性能的影响

美国德克萨斯大学的研究人员则对工艺中断造成的L-PBF 工艺制造In625、In718和AlSi10Mg的影响进行了研究。在这项工作中，研究人员实施了三个一小时中断协议，以模拟L-PBF过程中可能发生的真实场景：1）计划的构建停止，模拟智能组件制造中引入传感器；2）需要补充粉末；3）意外停电。对比研究发现，这三种材料的断续制造试样与连续制造试样的微观结构不可区分，虽然In718的极限拉伸强度和伸长率略有降低，但对于AlSi10Mg和In625，这些性能基本保持不变。

AlSi10Mg、In625、In718 L-PBF制造过程中断对照测试数据

这项研究表明，受中断影响的试样的微观结构或机械性能没有显著变化。但研究人员同时指出，未来仍然需要考虑全面的统计研究，具有更广泛的测试矩阵，还需要研究来评估热后处理（包括热等静压、应力消除、退火和时效热循环）对中断生产的部件的机械性能可能产生的影响。

在另一项来自美国陆军研究实验室和德国埃尔丁联邦国防军材料、燃料和润滑剂研究所的研究指出，工艺中断使AlSi10Mg的L-PBF制造的显微硬度值和抗拉强度降低了10%。德国夫劳恩霍夫铸造、复合材料和加工技术研究所对同类研究引入了重熔深度的概念，指出熔池深度可能是造成力学性能差异的重要原因。同时，过程中断可能导致零件表面氧化，进而影响续接过程中的层间结合，这也会导致机械性能降低。

过程中断对SLM制造AlSi12力学性能的影响

德国卡塞尔大学的研究人员采用SLM Solutions的设备研究了过程中断对AlSi12组织性能的影响。考虑的工艺中断因素为，开启仓门进入空气静置一个小时后重新充入氩气。续接制造的第一层熔化三次，以促进与上一层的良好结合。相比之下，断裂表面在中断和非中断的构建条件之间有很大差异。由于连续两层熔化不足，中断的构建断裂表面显示出相对较多的缺乏熔合缺陷。研究发现，工艺中断区域显露出在表面直接可见的微观结构的明显变形；但拉伸性能几乎没有变化，断面与过程中断位置并不重合；续接试样与连续制造试样的低周疲劳和高周疲劳性能也仅有微小差异。

AlSi12制造过程中断对照测试数据

END

对于粉末床激光熔融技术来说，在长期持续的构建工作期间，可能会发生工艺不稳定或因为其他制造需要而造成打印过程中断。在很多重要应用场景，过程中断更是不允许发生，发生即报废。像316L不锈钢、AlSi10Mg、In625、In718甚至Ti6Al4V，这些在航空航天、国防、核能、石油和天然气以及汽车和医疗领域应用较多的材料，需要研究过程中断对它们的影响。不过目前看来，所得出的研究结果有很多差异。

参考：

https://doi.org/10.1007/s00170-019-03560-1

https://doi.org/10.1016/j.procir.2022.08.032

https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2021.04.013

https://doi.org/10.1108/RPJ-04-2018-0105

https://doi.org/10.1016/j.procir.2020.09.035