激光束和電子束的金屬3D打印技術(shù)比較
激光束式和電子束式對形狀的再現(xiàn)性均有擅長和不擅長的部分。主要包括以下幾個方面：
（1）極限造型角度方面，經(jīng)確認(rèn)，所有裝置在相對于水平面約30度的角度下都發(fā)生形狀崩塌。40度時沒有發(fā)生，因此低于40度的角度應(yīng)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(xiàn)變形，但φ為1～10mm可以再現(xiàn)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?yàn)?，預(yù)熱導(dǎo)致假燒結(jié)，實(shí)施噴砂清理時，小直徑的孔噴不到?！叭绻侵本€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(fù)雜的構(gòu)造部件，應(yīng)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(yōu)勢。以圓棒為例，激光束式針對φ0.3mm的設(shè)計(jì)值能再現(xiàn)φ0.29mm的圓棒，而電子束式在設(shè)計(jì)值為φ0.3mm和φ0.5mm時，都是再現(xiàn)φ0.75mm的圓棒。估計(jì)是因?yàn)榧す馐讲粫霈F(xiàn)假燒結(jié)，所以僅掃描的部分幾乎完全正確地進(jìn)行了燒結(jié)。不過，對這種細(xì)薄形狀進(jìn)行細(xì)長造型時，在積層方向的高度方面，電子束式比較占優(yōu)勢。利用激光束式進(jìn)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(jì)是因?yàn)?，造型中的殘余?yīng)力導(dǎo)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(shí)際的造型物均比設(shè)計(jì)值稍窄一些，其中激光束式的偏差相對較小，再現(xiàn)性更出色。（6）銳角部分的形狀也是激光束式的形狀再現(xiàn)性更優(yōu)異，而電子束式?jīng)]有因?yàn)樽冃螌?dǎo)致形狀崩塌。
近年的金屬3D打印機(jī)通過提高粉末的品質(zhì)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(fā)現(xiàn)，“造型后出現(xiàn)了多個20μm以下的氣孔”。
某公司通過HIP處理擠破了這些氣孔。實(shí)施密度測量確認(rèn)，密度有所改善＊3。機(jī)械強(qiáng)度方面，經(jīng)過HIP處理后，拉伸強(qiáng)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(shí)施HIP處理前和處理后“都實(shí)現(xiàn)了比作為普通鈦64銷售的板材優(yōu)異的值”。
觀察截面組織發(fā)現(xiàn)，由于激光束式不進(jìn)行預(yù)熱就造型，因此溫度變化比較激烈，從組織上來看，形狀與實(shí)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(shí)施了預(yù)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(jìn)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(qiáng)度。研究機(jī)構(gòu)公司實(shí)施旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，激光束式和電子束式都通過HIP處理提高了疲勞極限。激光束式的疲勞強(qiáng)度（應(yīng)力振幅）稍高一些。不過，通過實(shí)施HIP處理，疲勞強(qiáng)度大幅提高，二者基本相同了。
具體而言，從實(shí)施107次疲勞試驗(yàn)后的應(yīng)力振幅（疲勞強(qiáng)度）來看，激光束式單體（造型后的狀態(tài)）的應(yīng)力振幅為360～370MPa，電子束式單體約為250MPa，而經(jīng)過HIP處理后確認(rèn)，強(qiáng)度都提高到了600MPa。
以上介紹了研究機(jī)構(gòu)公司針對金屬3D打印機(jī)的形狀再現(xiàn)性和機(jī)械強(qiáng)度實(shí)施驗(yàn)證的結(jié)果。這些驗(yàn)證只是該公司在目前擁有的積層條件下實(shí)施的。山本表示，“為了實(shí)現(xiàn)更出色的造型，今后還將大力開發(fā)積層條件”。
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