1、增材制造技术增材制造技术 第五章第五章 增材制造零部件的性能特征增材制造零部件的性能特征u增材制造材料不同加工工艺的工艺参数u“楼梯效应”，物理后处理方法作用以及后处理时的要求u增材制造零件的基本机械性能与提高零件强度的后处理方法u增材制造零件常见缺陷类型v本章重点本章重点本章重难点本章重难点v本章难点本章难点u主要物理后处理方法作用以及后处理时的要求，与提高零件强度的后处理方法u增材制造零件常见的缺陷类型与产生原因，如何改善12增材制造零件的微观结构特性增材制造零件的微观结构特性增材制造零件的机械性能增材制造零件的机械性能增材制造材料的工艺参数增材制造材料的工艺参数3654增材制造零件的光学
2、特性增材制造零件的光学特性增材制造零件的常见缺陷增材制造零件的常见缺陷增材制造零件的电学特性增材制造零件的电学特性第五章第五章 增材制造零部件的性能特征增材制造零部件的性能特征 5.15.1 增材制造材料的工艺参数增材制造材料的工艺参数 增材制造的工艺参数对其成型工艺有重要的影响，工艺参数对成型件的精度和强度有很大的影响。为了得到理想的部件，选择合适的参数十分重要。本节将针对各种成型工艺的参数对成型件的影响进行探讨。激光加工的工艺参数主要有扫描速度、激光功率、激光烧结间距和光斑直径、单层厚度等。v5.1.15.1.1 激光类加工工艺的工艺参数激光类加工工艺的工艺参数5.15.1 增材制造材料的
3、工艺参数增材制造材料的工艺参数（1 1）扫描速度）扫描速度 扫描速度越大，尺寸误差向负误差的方向减小，成型件强度减小。由于单位面积的能量密度减小，零件的尺寸精度和性能都受到相应的影响。5.15.1 增材制造材料的工艺参数增材制造材料的工艺参数（2 2）激光功率）激光功率由于激光具有方向性，热量沿激光方向传播，当激光功率增大，在宽度方向上会将更多的粉末烧结在一起。因此，尺寸误差沿正方向增大，厚度方向的尺寸误差增大趋势要比长宽方向大。在激光功率增大时，烧结件强度也会随着增大。当激光功率比较低时，粉末颗粒只是边缘熔化而黏结在一起，颗粒之间存在大量间隙，使得强度不会很高；但是激光功率过大会加剧因热收缩
4、而导致的制件翘曲变形。5.15.1 增材制造材料的工艺参数增材制造材料的工艺参数（3 3）激光烧结间距和光斑直径）激光烧结间距和光斑直径当烧结间距过大，烧结的能量在平面上的每一个烧结点的均匀性降低；光斑直径过大时，激光光斑中间温度高，边缘温度低，导致中间部分烧结密度高，边缘烧结不牢固，使烧结制件的强度降低。（4 4）单层厚度）单层厚度当烧结间距过小，制件的成型效率将会严重降低。随着单层厚度的增加，烧结制件的强度减小。需要熔化的粉末增加，向外传递的热量减少，使得尺寸误差向负方向减小。单层层厚对成型效率有很大的影响，单层层厚越大，成型效率越高。EBM的工艺参数主要有加速电压、束电流、扫描速度、搭接
5、率、扫描路径。只重点介绍搭接率和扫描路径。v5.1.2 电子束熔融（电子束熔融（EBM）的工艺参数）的工艺参数5.15.1 增材制造材料的工艺参数增材制造材料的工艺参数（1 1）搭接率）搭接率 搭接率是影响水平面粗糙度的主要因素，扫描线要想形成一个质量好的平面，相邻两道扫描线的合理搭接是必不可少的。一般来说，搭接率高的层面质量优于搭接率低的层面质量。随着搭接率的增加，能量密度增加，表面粗糙度值增大，表面质量下降。5.15.1 增材制造材料的工艺参数增材制造材料的工艺参数（2 2）扫描路径）扫描路径 扫描路径是指零件每层内部的填充方式。扫描路径将影响层面质量。采用先扫描零件的长边的方式，前几条线
6、形成的层面质量较好，但随着扫描的进行，由于真空中散热条件较差，热量累积严重，因此导致熔池过热沸腾，金属小液滴飞溅而出，冷却后形成小球落在未扫描的粉层上，从而影响了层面的表面质量。在电子束扫描过程中，如果先扫描短边会使热量的积累更加严重，层面的后半部分由于金属小球的“污染”，因此质量更差。注：回旋扫描可以较好地解决小液滴的飞溅问题，由于相邻的扫描线有较长的时间冷却，从而不会导致热量的累积，因此完全消除了金属小球的飞溅现象，层面的质量明显好于长边扫描和短边扫描。熔融沉积技术的相关工艺参数有分层厚度、喷嘴直径、喷嘴温度、环境温度、挤出温度、挤出速度与填充速度、理想轮廓线的补偿量及延迟时间等。v5.1
7、.3 熔融沉积（熔融沉积（FDM）的工艺参数）的工艺参数5.15.1 增材制造材料的工艺参数增材制造材料的工艺参数（1 1）分层厚度）分层厚度 是指将三维数据模型进行切片时层与层之间的高度。当分层厚度大时，原型表面会有明显的“楼梯”，这会影响原型的表面质量和精度；分层厚度较小时，原型精度提高，但切片层数增多，加工时间较长。5.15.1 增材制造材料的工艺参数增材制造材料的工艺参数（2 2）喷嘴直径）喷嘴直径 影响喷丝的粗细。喷丝越细，原型的精度越高，但每层的加工路径更密更长，成型时间较长。一般分层厚度要小于喷嘴直径。（3 3）喷嘴温度）喷嘴温度 是指系统工作时喷嘴要加热到一定的温度。在选择喷嘴
8、温度时应当注意喷嘴温度应该能使挤出的丝呈现弹性流体状态。喷嘴温度应当控制在230左右。（4 4）环境温度）环境温度 是指系统工作时打印件周围的温度。环境温度会影响成型零件的热应力的大小，影响成型件的表面质量。一般情况下，环境温度比喷嘴温度低1-2。5.15.1 增材制造材料的工艺参数增材制造材料的工艺参数（5 5）挤出速度与填充速度）挤出速度与填充速度 是指喷丝在送丝机构的作用下从喷嘴中挤出的速度。填充速度是指喷头在运动机构的作用下按轮廓路径和充填路径运动时的速度。机器工作时，填充速度越快，成型时间越短，效率越高。为了保证出丝的连续与平稳，挤出速度与填充速度应该进行合理的匹配。（6 6）理想轮
9、廓线的补偿量）理想轮廓线的补偿量 由于喷丝具有一定的宽度，喷头在填充轮廓路径时实际轮廓线可能会超出理想轮廓线，因此，需要在生成路径时对理想轮廓线进行补偿。这个补偿值就是理想轮廓线的补偿量，一般取挤出丝宽度的一半。5.15.1 增材制造材料的工艺参数增材制造材料的工艺参数（7 7）延迟时间）延迟时间 包括出丝延迟时间和断丝延迟时间。出丝延迟时间是指当送丝机构开始送丝时，喷嘴不会立即出丝，而有一定的滞后，这段滞后时间即为出丝延迟时间。同样的，断丝滞后的时间称为断丝延迟时间。延迟时间需要根据工艺的不同合理设置，时间设置不当可能会出现拉丝太细，粘结不牢甚至断丝，缺丝等现象，也可能会出现堆丝，积瘤等现象
10、。三维打印快速成型的基本工艺参数有喷头到粉末层的距离、粉层厚度、喷射及扫描速度、辊子运动参数、每层间隔时间等。若制件精度及强度要求高，层厚取值就要小；而黏结液与粉末空隙的体积比取决于层厚、喷射量及扫描速度，会大大影响制件的性能和质量；同时需根据制件精度与质量、时间的要求及层厚等因素综合考虑喷射与扫描速度。v5.1.4 3DP的工艺参数的工艺参数5.15.1 增材制造材料的工艺参数增材制造材料的工艺参数 纤维缠绕工艺的主要工艺参数有树脂温粘度、缠绕角、小车行走速率和固化制度等。其中，性能的主要工艺影响参数有：纤维张力大小、均匀性的控制、缠绕方式、环境温度等。纤维张力是复合材料缠绕工艺中参数控制的
11、重要一环，体现在以下4个方面：v5.1.5 纤维缠绕的工艺参数纤维缠绕的工艺参数5.15.1 增材制造材料的工艺参数增材制造材料的工艺参数（1）单个纤维张力的大小 （2）各纤维束间张力的均匀性（3）对含胶量的影响 （4）缠绕方式的影响5.15.1 增材制造材料的工艺参数增材制造材料的工艺参数（1 1）单个纤维张力的大小）单个纤维张力的大小 张力过大，纤维塑性变形大、磨损大，导致制品强度下降。张力不够充分，内压容器构件的预压缩应力可能不足以与充压相平衡，疲劳性能降低。（2 2）各纤维束间张力的均匀性）各纤维束间张力的均匀性 纤维束之间张紧程度不一样时，承受载荷时各个纤维束不能同时承受力或是承受力
12、大小不均匀，易导致纤维束断裂。5.15.1 增材制造材料的工艺参数增材制造材料的工艺参数（3 3）对含胶量的影响）对含胶量的影响 由于纤维是层层缠绕的，取第N层为研究对象如图5-1所示，随着缠绕的进行，第N层纤维在所有外部纤维缠绕总成型压力的作用下收缩，层间间隙增大纤维层发生松弛，影响内部任意各层纤维环向应力，内层树脂基出现饱和泌出现象。图图5-1 缠绕中纤维张力示意图缠绕中纤维张力示意图5.15.1 增材制造材料的工艺参数增材制造材料的工艺参数（4 4）缠绕方式的影响）缠绕方式的影响纤维缠绕方式如图5-2所示，分为环向缠绕、平面缠绕和螺旋缠绕三种。图图5-2 纤维缠绕方式纤维缠绕方式 纤维缠
13、绕方式对复合材料内压管强度的影响显著。环向缠绕角通常在8590之间，环向缠绕加强的是制品的周向强度。轴向受拉力时多采用平面缠绕，其缠绕角小于25。螺旋缠绕在首尾两端提供经纬两个方向的强度，在芯模轴身段提供周向和轴向两个方向强度，多用于复杂工作情况产品中。不同的复合材料最佳缠绕角也不同，合理的缠绕角还会节约材料。影响铺放成型质量的因素有铺放温度、铺放压力、铺放速率。v5.1.6 纤维铺放的工艺参数纤维铺放的工艺参数5.15.1 增材制造材料的工艺参数增材制造材料的工艺参数（1 1）铺放温度）铺放温度 指铺放过程中预浸丝表面的温度。铺放温度过高，树脂粘度过低，树脂流动性增强，使得树脂在铺放压力的作
14、用下横向流动增加，从而使纤维排布状态发生改变，可能导致纤维方向偏离设计方向，导致性能下降；而温度过低将导致树脂的粘度过大，影响预浸丝束的贴合状态。5.15.1 增材制造材料的工艺参数增材制造材料的工艺参数（2 2）铺放压力）铺放压力 即压辊加载于预浸丝上的压力，可以将单位宽度的预浸丝所受压力载荷大小作为铺放压力。铺放压力选择太小会导致树脂面积变化率太小，树脂扩散不充分，此时预浸丝与基底的粘结性不足、贴合状态不佳；而选择铺放压力过大会导致预浸丝横向变形程度加大。（3 3）铺放速率）铺放速率 直接决定载荷作用时间，铺放速率过大将导致载荷作用时间过短，树脂扩散不充分，预浸丝与模具表面或者预浸丝相互之
15、间无法紧密贴合，影响铺放质量；与此同时，若要选择较高的速率必须考虑机械设备限制。但铺放速率除了影响铺放质量之外，更重要的是它直接决定了产品的生产效率，铺放速率越大，产品的生产周期越短，铺放的生产效率越高。因此，在保证铺放质量的基础上，考虑到设备限制的前提下，应尽量选择大的铺放速率。12增材制造零件的微观结构特性增材制造零件的微观结构特性增材制造零件的机械性能增材制造零件的机械性能增材制造材料的工艺参数增材制造材料的工艺参数3654增材制造零件的光学特性增材制造零件的光学特性增材制造零件的常见缺陷增材制造零件的常见缺陷增材制造零件的电学特性增材制造零件的电学特性第五章第五章 增材制造零部件的性能
16、特征增材制造零部件的性能特征 AM制件的微观结构通常可以分为两类：柱状微观结构以及蜂窝细胞晶枝状态结构。v5.2.15.2.1 零件的微观结构零件的微观结构5.25.2 增材制造零件的微观结构特性增材制造零件的微观结构特性（1 1）柱状微观结构）柱状微观结构 尽管柱状结构中最常用的材料是Ti6Al4V，但是对于其他材料（例如Inconel 718，Ta和W）也有柱状结构。5.25.2 增材制造零件的微观结构特性增材制造零件的微观结构特性 Ti6Al4V的凝固范围小于-263，合金元素的分配和相关的成分过冷却过程受到限制，这导致垂直晶粒（针状马氏体的典型柱状结构）生长跨越许多层，它在SLM淬火期
17、间转变为“马氏体”，并且在EBM中转变为层状+晶粒。在DED中，微结构在SLM和EBM之间变化，并显示部分底部和顶部之间的梯度。图5-3a示出了在SLM之后获得晶粒（针状马氏体的典型柱状结构）。在没有晶粒到晶粒转化的情况下，Ti6Al4V将显示出如Ta的极端纹理，但晶粒变换成12个晶体变体会形成较弱的纹理。图图5-3 SLM中微观结构图中微观结构图（a）（b）5.25.2 增材制造零件的微观结构特性增材制造零件的微观结构特性（2 2）蜂窝细胞结构）蜂窝细胞结构 大多数材料在蜂窝细胞晶枝状态下固化。蜂窝细胞结构是在金属AM制造期间的高冷却速率下产生的，其在SLM中可达到-263/s。因此，SLM
18、成型件的微观结构细小，合金元素饱和，呈现出紊乱和亚稳定的特点。在EBM工艺中，高预热温度提供了应力消除和原位退火，这造成微观结构比较粗糙。精细的微观结构会产生与锻造或铸造材料相当的强度，有时甚至接近常规材料在时效硬化条件下的强度（例如AlSi10Mg）。但它们的延展性通常较低。对于Ti6Al4V更是如此，因此，大多的研究工作都集中在提高其延展性上，通常是通过后处理、热处理或改变工艺参数等方式来提高延展性，此外热等静压（HIP）也能改善疲劳强度。5.25.2 增材制造零件的微观结构特性增材制造零件的微观结构特性（3 3）纹理的变化条件）纹理的变化条件 纹理的变化可通过改变增长条件来实现，例如改变
19、层与层之间扫描图案的旋转方式。研究人员通过改变扫描速度和激光功率，使平面上蜂窝状结晶和混合凝固模式之间产生变化，形成了图5-4所示的结构，这种结构肉眼是不可见的，一般可通过晶体取向的电子反向散射衍射（EBSD）成像得到。如图5-5所示为通过调节工艺参数对局部纹理的控制图。图图5-4 普通普通SLM生产时材料的细胞微观结构侧视图生产时材料的细胞微观结构侧视图图图5-5 通过调节工艺参数通过调节工艺参数对局部纹理的控制图对局部纹理的控制图 基于离散堆积成型的增材制造制件，其表面上会显现每一分层之间产生的如台阶一般的阶梯，称之为“楼梯效应”，这种现象在曲面上显现得更加明显。“楼梯效应”是由于在打印曲
20、面形状的过程中，每一分层有一定厚度，相邻层的形状轮廓存在变化，呈现出来即为表面的楼梯，如图5-6所示。v5.2.25.2.2 零件的外貌零件的外貌5.25.2 增材制造零件的微观结构特性增材制造零件的微观结构特性图图5-6 FDM方法打印的艺术品方法打印的艺术品表面楼梯表面楼梯 “楼梯效应”的明显程度与成型方法和成型参数有关，对FDM而言，具体与喷嘴直径、分层厚度及成型角度有关。5.25.2 增材制造零件的微观结构特性增材制造零件的微观结构特性激光打印零件激光打印零件 激光打印的零件，如果激光功率不足，烧结的粉末颗粒融化不完全，成型件中会存在大量的间隙；如果激光功率过大，则会因为熔固收缩导致制
21、件翘曲变形。一般来说，SLS（激光选区烧结）的成型件表面光洁度较低，因此需要进行后处理来提高制件的表面质量。SLM（激光选区熔融）过程中经常发生飞溅、球化、热变形等现象。一些飞溅的颗粒夹杂在熔池中，使成型件表面粗糙，而且一般飞溅颗粒较大；在铺粉过程中，飞溅颗粒直径大于铺粉厚度也会导致铺粉装置与成型表面碰撞而产生破坏。5.25.2 增材制造零件的微观结构特性增材制造零件的微观结构特性EBMEBM电子束打印零件电子束打印零件 EBM电子束扫描的过程中会产生两种飞溅：第一种飞溅是由热量累积造成的熔池过热沸腾所产生的金属小液滴的飞溅，会使制件层面质量变得很差；第二种飞溅是由于金属粉末没有熔融而被电子束
22、直接冲开，没有参与成型，从而使成型的效率很低，甚至使成型无法进行下去。此外，在电子束熔融过程中也会有球化现象，从而降低零件的表面质量。5.25.2 增材制造零件的微观结构特性增材制造零件的微观结构特性 需要特别注意的是，Al和Al合金的粉末颗粒在表面具有稳定的Al2O3层，它会阻碍颗粒烧结或熔融聚结，这对电子束熔化（EBM）具有负面影响。为了避免由电子束引起的负电荷使粉末颗粒排斥，进而导致颗粒从粉末床喷出，粉末床需要预烧结以使粉末颗粒在熔化之前就黏结在一起。材料在与氧反应时会大量放热（如Mg），如果不在无氧环境，AM过程会非常危险。同时含氧量对力学性能也有较大的影响，如Ti6Al4V中较高的氧
23、含量增加了强度，但降低了延展性。因此，在AM过程中，必须注意尽量减少氧气、氮气或水分，因为它们会降低力学性能和粉末的可回收性。如图5-7所示为Ti6Al4V的LMD微观结构。图图5-7 Ti6Al4V的的LMD微观结构微观结构5.25.2 增材制造零件的微观结构特性增材制造零件的微观结构特性3DP3DP打印零件打印零件 3DP成型件的表面质量受粉末材料特性的约束。此外，喷头到粉层的距离也会影响成型件的表面精度，喷射液滴越容易产生溅射，零件的表面越粗糙。3D打印件打印完毕后，其表面需进行细致的处理。主要的物理后处理方法表面打磨、抛光，是为了消除“楼梯效应”；去支撑处理，可以使打印件和支撑结构分离
24、；渗蜡处理，是为了增加打印件的强度。5.25.2 增材制造零件的微观结构特性增材制造零件的微观结构特性（1 1）顺序要求）顺序要求 3D打印件直接后处理包括了打磨、抛光、去支撑、后固化、延寿、着色等处理工艺，前三种属于物理方法直接后处理，后处理需要按照一定的要求进行。后处理工艺需按一定顺序进行，以防止互相干扰和影响。后处理工艺的先后顺序一般为：去支撑、后固化、打磨、蒸发、抛光、延寿、着色。如果在进行延寿处理后再进行打磨处理，毫无疑问会损坏打印件表面的防护层。（2 2）工艺要求）工艺要求 相同的3D打印工艺，其打印件的特点不相同，需要进行的后处理也不同；打印材料不同，使用的后处理方法也不同。所以
25、需要根据打印件的材料种类和特点，选择需要的后处理工艺和合适的工艺参数。5.25.2 增材制造零件的微观结构特性增材制造零件的微观结构特性（3 3）精度要求）精度要求 总的来说，所有的后处理工艺对打印件的精度都有影响。在实际操作中，合理的后处理需要根据打印件的精度要求而定，如果选择后处理的方式不合适，会造成打印件的精度不符合要求，导致打印件需进行额外的处理甚至使其报废。（4 4）保护要求）保护要求 对3D打印件进行后处理时，要防止对打印件造成损伤或者使其性能下降。有些处理工艺可能会降低打印件的使用寿命，如使用着色剂对金属打印件着色，易导致锈蚀。常见的打印件的主要的后处理有除粉、表面打磨、浸液体材
26、料、表面涂料等。零件去粉完毕若还需要长久保存，就需要增加保护措施。5.25.2 增材制造零件的微观结构特性增材制造零件的微观结构特性 保护措施保护措施 一般会在零件外表面刷一层防水固化胶增加强度，防止因吸水而使强度减弱；或者将零件浸入一些聚合物中，他们能起到保护零件的作用，这些聚合物有环氧树脂、氰基丙烯酸酯、熔融石蜡等。处理后的零件应兼具防水、坚固、美观、不易变形等特点。有些打印方法还需去除支撑，如FDM方法的后处理除了打磨楼梯，还有去除支撑结构、涂表面保护材料等。12增材制造零件的微观结构特性增材制造零件的微观结构特性增材制造零件的机械性能增材制造零件的机械性能增材制造材料的工艺参数增材制造
27、材料的工艺参数3654增材制造零件的光学特性增材制造零件的光学特性增材制造零件的常见缺陷增材制造零件的常见缺陷增材制造零件的电学特性增材制造零件的电学特性第五章第五章 增材制造零部件的性能特征增材制造零部件的性能特征 孔隙率指散粒状材料表现体积中材料内部的孔隙占总体积的比例。孔隙的主要作用是降低应力，防止制件发生快速断裂。图5-8显示了激光烧结聚酰胺样品的重叠应力应变曲线，其变化的工程孔隙率范围在0-40之间。延展性和强度随着孔隙率的降低而增加。对于高孔隙率样品，断裂应力低于屈服强度，应变测量的伸长率也随之较低。随着孔隙率的降低，强度显著增加，接近屈服强度。然而，由于应力-应变曲线的弹性部分的
28、陡坡，断裂应变仍然很低，小于10。对于10-15范围内的残余孔隙率，断裂应力低于屈服强度并低于拉伸强度，导致可测量塑性在10-30之间。孔隙率低于约5时，零件恢复50-60的全延展性。孔隙会促使裂纹扩展，从而使机械性能降低，因此制造高密度部件通常是AM工艺优化的首要目标。v5.3.15.3.1 AM AM制件残余孔隙率的影响制件残余孔隙率的影响5.35.3 增材制造零件的机械性能增材制造零件的机械性能图图5-8 具有不同量的工程化孔隙率的具有不同量的工程化孔隙率的激光烧结聚酰胺的重叠拉伸试验结果激光烧结聚酰胺的重叠拉伸试验结果 后处理可用于缓解或消除AM制件中的缺陷结构。关键金属部件的常用方法
29、是热静压法（HIP）。HIP不能完全有效消除所有层间缺陷。例如，氧化物层可能不受HIP的影响，但是，HIP可有效降低孔隙率。5.35.3 增材制造零件的机械性能增材制造零件的机械性能 思考：零件后处理有哪些要求 通常，静态强度取决于部件的密度以及在制造过程中形成的微观结构。与通过传统路线（例如铸造）制造的部件相比，AM制造部件的微观结构更精细，因此，一般来说，AM部件的静态强度较好。增材制造的金属中屈服强度和极限拉伸强度通常等于或大于其铸造、锻造或退火对应的强度，这是由于AM加工期间熔池的快速凝固，形成微细结构特征，如细晶粒或密集间隔的晶枝。典型霍尔-石料粒度强化描述了材料的屈服强度与平均粒径
30、之间的关系：随着晶粒尺寸的减小或微结构特征的错位运动，材料的屈服强度增加。AM制成的金属中的微观结构特征会阻碍错位运动，将会形成比常规加工和退火更高的屈服强度。v5.3.25.3.2 静态强度静态强度5.35.3 增材制造零件的机械性能增材制造零件的机械性能 通常，增材制造的材料的屈服强度和极限拉伸强度无明显的各向异性。但是，当在凝固期间发生晶粒的外延生长时，细长晶粒可以在构建方向上生长，使微结构呈现出纹理特征，或者表现出较好的晶体取向。Ti6Al4V可以进行热处理使微观组织均匀化，或者使晶粒再结晶和粗化，但同时也会导致产量和极限拉伸强度的降低，如图5-9所示。另外，如果强度受到明显的孔隙或融
31、合缺陷的影响，HIP可用于消除和“愈合”样品中的内部孔隙和缺陷，增加延性。5.35.3 增材制造零件的机械性能增材制造零件的机械性能图图5-9 Ti6Al4V各工艺中各工艺中极限拉伸强度与延展性实极限拉伸强度与延展性实验数据验数据 热处理通常会降低强度，增加延展性。在AM加工过程中，聚合物材料的强度可能会受到结构缺陷或层间粘附以及分子结合不足等影响，因此平行于连续激光路径或细丝沉积路径的部分具有较高强度，而垂直于连续激光路径或细丝沉积路径的部分强度较低。材料的弹性模量或刚度随孔隙度的减小而减小。此外，实验研究表明在AM中，陶瓷材料能够制造几乎没有空隙或裂纹的制件。v5.3.35.3.3 刚度刚
32、度5.35.3 增材制造零件的机械性能增材制造零件的机械性能图图5-10 多孔材料的弹性模量多孔材料的弹性模量 此外，对铸钢的研究描述了弹性模量与孔的形状和尺寸之间的关系，铸钢的弹性模量公式为：）n001PEPE（5.1）其中n是经验指数，p0表示在代表性体积元素中允许存在均匀孔隙率的最大值，同时也是产生零刚度的截断值。n和p0都取决于微结构孔的尺寸和形状。如图5-10所示，多孔材料的弹性模量与孔体积分数呈线性关系。AM制造零件的微观结构在制造方向（建造方向与正交于建造方向）方面是各向异性的，并且通常显示出或多或少明显的纹理。因此，其拉伸性能（UTS，EL）也是各向异性的。v5.3.45.3.
33、4 拉伸性能拉伸性能5.35.3 增材制造零件的机械性能增材制造零件的机械性能5.35.3 增材制造零件的机械性能增材制造零件的机械性能（1 1）AMAM制件延展性所受限制制件延展性所受限制 AM制件的延展性在很大程度上受到内部缺陷的限制，如孔隙率或金属融合缺陷。图图5-11 Ti6Al4V拉伸样品的断裂表拉伸样品的断裂表面内部面内部 如右图5-11所示是由PBF制成并在（a）纵向和（b）横向（构造）方向上进行测试的Ti6Al4V拉伸样品的断裂表面，其暴露的缺陷是因聚合物中的层间粘合不足以及陶瓷烧结过程中形成的裂纹造成的。（a）纵向 （b）横向 沉积部件的内部缺陷和表面粗糙度造成了不连续的表面
34、，这使得部件容易产生应力集中。应力集中降低了材料可承受的最大外应力。在金属材料的加工过程中，熔合不足容易形成长的尖锐孔，这些孔导致局部应力集中。此外，快速凝固而形成的微细结构特征会提升制件强度，但是由于错位运动受限使得制件延展性降低。5.35.3 增材制造零件的机械性能增材制造零件的机械性能5.35.3 增材制造零件的机械性能增材制造零件的机械性能AM中细长的各向异性晶粒，会影响垂直于构建方向的延展性。例如，由DED制成的Ti6Al4V中的相晶界叠加先前的相晶界，将会使制件在纵向施加张力时形成分离晶粒的裂纹，降低零件的延展性，但是，横向方向的张力不受晶界相位的负面影响，如图5-12所示。图图5
35、-12 由由DED AM制造的制造的Ti6Al4V的光学图像的光学图像5.35.3 增材制造零件的机械性能增材制造零件的机械性能 在聚合材料中，层与层之间的分子结合不充分和层间孔隙会造成制件负载区间的分层。在烧结金属的工艺中，通常可以用孔隙率来描述断裂伸长率，如图5-13所示。大部分可用钢种的拉伸性能符合AM制造技术应用的标准。见书表5-1列出了从文献资料中选择不同AM技术的钢种的屈服强度（YS）和极限抗拉强度（UTS）以及断裂伸长率（EL），将其与锻造材料的参考性能进行比较。图图5-13 激光烧结聚酰胺激光烧结聚酰胺12的伸长率与相的伸长率与相对孔隙率对孔隙率5.35.3 增材制造零件的机械
36、性能增材制造零件的机械性能（2 2）AMAM制造的铝合金的拉伸性能制造的铝合金的拉伸性能 铝合金的拉伸性能与屈服性能类似。由AM方法产生的细晶粒结构有益于增加制件强度。见书表5-2列出了几种铝合金的拉伸性能。熔融物在AM中的快速凝固造成残余应力累积，这主要是由熔池固化收缩以及在冷却期间额外的热收缩引起。两者都会造成AM制件中的残余应力显著增加。除了导致部件翘曲之外，这些残余应力也可以导致部件的裂纹形成和生长。与静态机械性能相同，金属材料的疲劳强度主要取决于其微观结构。但是，表面粗糙度和材料缺陷等加工工艺的固有特性会极大影响AM制件的疲劳性能。分层制造工艺通常造成表面粗糙度增加，机械表面处理（例
37、如抛光）可以改善疲劳性能；但是由于材料缺陷，疲劳性能的评估相当困难，比如孔隙率和层粘结不足会导致实验数据的离散点增加，难以比较。通过热等静压处理这些缺陷，使材料致密化，可以改善疲劳性能从而获得与铸造和锻造材料相当的性能。v5.3.55.3.5 疲劳强度疲劳强度5.35.3 增材制造零件的机械性能增材制造零件的机械性能 研究表明，冲击韧性受材料特性的影响，不同材料的AM制件表现出不同的冲击韧性，v5.3.65.3.6 冲击韧性冲击韧性5.35.3 增材制造零件的机械性能增材制造零件的机械性能 比如AlSiMg中的冲击韧性是各向同性的，纵向和横向的均值为0.04J/mm2，这是因为该材料中具有相对
38、等轴晶粒的特征。然而，Al6061中的冲击能量是各向异性的，水平方向的冲击能量为0.015J/mm2（沿着构造方向断裂），垂直方向上为0.07J/mm2（沿层方向断裂）。由于沿着构建方向的柱状晶粒生长，其沿着构建方向产生裂纹路径，导致在该方向冲击能量显著降低。如左图5-14所示，来自两个方向的AlSi10Mg中类似的断裂面证实了断裂机制或路径没有变化，而Al 6061的断裂面在方向之间显示出明显的差异。由PBF工艺制成的铝合金样品的断裂表面，显示AlSi10Mg中缺乏方向依赖性断裂表面，而Al 6061中的断裂表面形成强烈的方向依赖性。图图5-14 由由PBF工艺制成的铝合金样工艺制成的铝合金
39、样品的断裂表面品的断裂表面 物理气相沉积；电镀技术；化学热处理；加热固化；延寿处理。v5.3.75.3.7 提高零件强度的后处理方法提高零件强度的后处理方法5.35.3 增材制造零件的机械性能增材制造零件的机械性能提高零件强度的后处理方法有以下五种提高零件强度的后处理方法有以下五种5.35.3 增材制造零件的机械性能增材制造零件的机械性能（1 1）物理气相沉积）物理气相沉积 物理气相沉积（physical vapour deposition，PVD）是依靠物理方法，利用真空蒸发、气相反应在工件表面沉积成膜的过程，是一种环保型的、有别于传统成膜方法的现代表面处理技术。PVD又分为真空蒸镀、溅射镀
40、和离子镀。溅射镀和离子镀可以获得附着性能、致密度优异的沉积膜，但是，溅射镀和离子镀工艺本身对沉积膜纯净性容易产生不良的影响，因此，溅射镀和离子镀方法不适于纯净性要求极高的膜层的制备。真空蒸镀的密度和附着性能较差，但真空蒸镀可以在气压很低的高真空中进行，并得到纯净性极高的蒸镀膜层。5.35.3 增材制造零件的机械性能增材制造零件的机械性能（2 2）电镀技术）电镀技术 电镀是指将工件置于含有被沉积的金属离子的电解液中，通过外加的直流电，使工件表面覆盖上一层薄的金属镀层，从而达到防蚀、装饰、导电、耐磨或导磁、易焊等目的的方法。电镀是一种用电解方法沉积所需镀层的一种电化学过程，也是一种氧化还原过程。电
41、镀的适用范围很广，一般不受工件大小和批量的限制，镀层厚度一般在0.0011mm。镀层一般分为防护性镀层、功能性镀层和装饰性镀层：防护性镀层用来防止金属零件的腐蚀，如镀镉、锌、锡等；功能性镀层一般都有特殊的物理性能要求，如抗高温镀层和耐磨性镀层；装饰性镀层主要是通过电镀使金属制品表面转化为金属的合金或化合物来改变颜色。5.35.3 增材制造零件的机械性能增材制造零件的机械性能（3 3）化学热处理）化学热处理 化学热处理是在一定的温度下，在不同的活性介质中，向金属的表面渗入适当的元素，同时向金属内部扩散以获得预期的组织和性能为目的的热处理过程，如渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、渗硫、渗铬、渗铝等。（4
42、 4）加热固化）加热固化 加热固化是通过加热，使打印件分子间进一步固化，结构进一步稳定，从而增加打印强度。该方法多用于SLA打印件。（5 5）延寿处理）延寿处理 延寿处理技术可以分成三大类：一类是以消除应力为主的工艺方法，一类是以表面修形为主的方法，还有一类即是表面涂层等改性技术。AM工艺中，表面改性技术是主要的延寿方法。5.35.3 增材制造零件的机械性能增材制造零件的机械性能打印件延寿后处理的具体方法打印件延寿后处理的具体方法 AM制件的延寿处理主要是对高分子材料、金属材料、陶瓷材料及其复合材料制成的AM制件进行处理。接下来将分别说明AM制件的延寿处理方法。a)高分子材料：高分子材料的AM
43、制件的延寿处理通常采用化学处理中的渗树脂、渗蜡等技术，极少使用PVD中的真空蒸镀处理。b)金属及合金：金属材料及合金材料的AM制件表面要求较多，使用得较多的延寿处理方法是电镀技术，同时PVD和化学热处理也可用于金属制件的延寿处理。c)陶瓷：以陶瓷为材料的AM制件，通常使用PVD进行延寿处理。d)复合材料：复合材料制成的AM制件，按其具体成分，使用的处理工艺有所不同，大部分通过PVD、电镀进行延寿处理，但也可使用化学热处理方法。12增材制造零件的微观结构特性增材制造零件的微观结构特性增材制造零件的机械性能增材制造零件的机械性能增材制造材料的工艺参数增材制造材料的工艺参数3654增材制造零件的光学
44、特性增材制造零件的光学特性增材制造零件的常见缺陷增材制造零件的常见缺陷增材制造零件的电学特性增材制造零件的电学特性第五章第五章 增材制造零部件的性能特征增材制造零部件的性能特征AM制件在光学性质上的优势主要体现在透明度上。其中：喷射成型工艺可采用具有透明性的还原聚合材料。快速冷冻成型工艺可以在冰中生产透明部件。DED工艺通过使用灯丝侧馈机构用激光光源制造透明石英部件。而其它AM工艺，如喷墨打印、激光烧结和熔融沉积制造，存在的问题是由于内部进行的表面反射而阻碍透明度。5.45.4 增材制造零件的光学特性增材制造零件的光学特性 东京大学率先探索使用折射率匹配渗透剂来生产透明激光烧结部件，将聚甲基丙
45、烯酸甲酯（PMMA）粉末与麦芽糖糊精粘合剂混合，然后用热固化丙烯酸渗透制备透明喷墨打印部件，如图5-15所示，左图为折射率n=1.588的聚苯乙烯激光烧结成型件；右图为渗透后的折射率n=1.582的匹配紫外线固化环氧树脂成型件，可以看出经过渗透处理后的成型件的透明度显著提高。5.45.4 增材制造零件的光学特性增材制造零件的光学特性科学前沿：科学前沿：图图5-15 纤维缠绕方式纤维缠绕方式 使用还原聚合物制成的光学半透明部件已经用于生物医学领域，生产用于骨内生长的3D生物降解支架和用于颅骨成型术的生物模型。12增材制造零件的微观结构特性增材制造零件的微观结构特性增材制造零件的机械性能增材制造零
46、件的机械性能增材制造材料的工艺参数增材制造材料的工艺参数3654增材制造零件的光学特性增材制造零件的光学特性增材制造零件的常见缺陷增材制造零件的常见缺陷增材制造零件的电学特性增材制造零件的电学特性第五章第五章 增材制造零部件的性能特征增材制造零部件的性能特征5.55.5 增材制造零件的电学特性增材制造零件的电学特性 制造工艺会影响材料的最终微观结构进而影响材料的电学特性。微观结构对电学性能的影响与导电物质（通常为电子）的迁移率有关。对于AM聚合物，其电学性能通常是指保持原材料电绝缘特性以及使用添加剂来增加材料电导率。通常，通过添加导电介质（如碳）来实现AM聚合物电导率的改进。举例：举例：向聚酰
47、胺12中加入4纳米尺寸的碳黑将电导率从410-10S/cm增加到10-4S/cm。当在聚酰胺11中混合5碳多层纳米管时，与聚酰胺12类似，由于改变聚合物内纳米管的混合和分布，其导电性从10-11 S/cm提高到10-4S/cm。5.55.5 增材制造零件的电学特性增材制造零件的电学特性实际应用：实际应用：增材制造已经应用于放电加工（EDM）的金属和塑料制成的电极。激光熔化用来生产具有25孔隙率和1.938S/cm电导率的TiB2-CuNi复合材料。激光熔化工艺将63Mo-37（90Cu-10Ni）预混粉末用来生产EDM电极，试验结果表明，Mo复合材料节省了相对于实心铜电极材料的一半。12增材制
48、造零件的微观结构特性增材制造零件的微观结构特性增材制造零件的机械性能增材制造零件的机械性能增材制造材料的工艺参数增材制造材料的工艺参数3654增材制造零件的光学特性增材制造零件的光学特性增材制造零件的常见缺陷增材制造零件的常见缺陷增材制造零件的电学特性增材制造零件的电学特性第五章第五章 增材制造零部件的性能特征增材制造零部件的性能特征 球化现象；裂纹；失真和分层；表面光洁度差；化学降解和氧化。v5.6.15.6.1 常见的缺陷类型常见的缺陷类型5.65.6 增材制造零件的常见缺陷增材制造零件的常见缺陷5.65.6 增材制造零件的常见缺陷增材制造零件的常见缺陷（1 1）球化现象）球化现象球化现象
49、，是导致孔隙度、微裂纹或表面光洁度差等物理缺陷现象的原因之一。原因：当液体材料由于表面张力不能润湿下面的基底时，加工条件的不稳定使液体球化，这将导致在加工过程中粗糙的珠状扫描轨迹（例如在粉末激光熔合过程中），进而增加制件的表粗糙度和内部孔隙率。5.65.6 增材制造零件的常见缺陷增材制造零件的常见缺陷 如图5-16所示，显示的是粉末床的顶面，以指定的200mm/s激光功率进行单次垂直激光扫描，可以明显地看到粉末球化现象。同时，由于污染也会降低润湿程度，因此及时清理非常重要，要尽量减少加工过程中的氧化膜和污染物，多孔性是AM制件中的常见缺陷。图图5-16 316L不锈钢不锈钢SLM低激光功率下的
50、球化现象低激光功率下的球化现象5.65.6 增材制造零件的常见缺陷增材制造零件的常见缺陷（2 2）裂纹）裂纹 由于多种原因，裂纹是AM成型工艺中常出现的严重问题。基于激光的AM金属工艺（激光烧结，SLM等）引入大量的热量，熔池的快速收缩或固体材料中的高温梯度，在AM材料中形成的裂纹如图5-18所示，图5-18（a）是Hastelloy C276金属超合金SLM中产生的裂纹，图5-18（b）是未经预热的SLS/SLM制成的氧化铝陶瓷件，图5-18（c）是乙烷醇氧化物悬浮液渗透氧化铝间接SLS产生的裂缝。显然，耐热冲击性较差的材料（陶瓷或脆性金属）更容易产生裂纹。此外，粘合剂材料造成的偏析和干燥收
