优化的混合保护气体为3D打印更高质量的金属零件带来新方向
在《一种新型「氩/氦」保护气体，显著减少金属3D打印过程中的飞溅和缺陷风险》一文中，3D打印技术参考介绍了新工艺气体对Ti64晶格结构在激光粉末床熔融(L-PBF)过程中的飞溅形成、工艺稳定性及3D打印零件性能产生的影响。
将保护气体引入金属3D打印制造工艺优化研究，由全球最大的工业气体生产商林德集团所领导，并逐渐形成了一定的影响力。近日，3D打印技术参考注意到该公司已经推出了多项用于3D打印领域的气体技术——分别为优化粉末床激光熔融（LPBF）打印工艺、提升粘结剂喷射（BJ）和挤出工艺后烧结质量而开发的定制气体混合物，用于金属粉末生产的气体雾化解决方案以及直接可用的镍钛合金打印策略。
优化保护气体组成，提升打印质量
成分缺陷是金属增材制造过程中的重要缺陷种类，其来源于氧化、合金元素流失和微观偏析的影响。其中，氧化主要受到粉末中含氧量及熔池演变过程中氧气参与所影响。氧化现象会促进金属凝固过程中气孔的形成与扩张，进而诱发裂纹，显著影响PBF成形部件的力学性能和疲劳性能。因此，需严格控制原始粉末纯度与成型仓内氧含量，尽量避免氧化现象出现。然而即使对打印室气氛进行最严格的净化，仍有可能存在少量杂质。
粉末、激光和烟尘相互作用
对于LPBF工艺而言，当前主流的设备品牌多采用直接通入惰性气体使打印室的氧气含量达到要求的标准，少数品牌如3D Systems则采用先抽真空再通惰性气体的方式，氧气含量可以保持在25ppm以下。
林德推出的ADDvance O2 Precision氧浓度检测技术能够对打印室内的气体气氛进行连续分析，能够识别出低至10ppm的O2浓度，从而启动自动吹扫过程以保持最佳保护条件。
ADDvance® Laser230工艺气体是林德专为优化粉末床激光熔融 (LPBF) 工艺中的打印结果而开发的氩氦定制气体混合物，可将颗粒再沉积、孔隙率和粉末损失降低多达20%，同时可以减少烟雾形成并加快循环时间，使打印过程更安全并降低每个零件的成本。它还可以延长设备的维护周期，使过滤器更少的更换。此外，该混合气体与所打印的材料无关，是晶格结构3D打印的理想选择。
ADDvance Sinter250是一种用于粘结剂喷射及金属挤出工艺的气体解决方案，可优化烧结气氛。它是氩气和氢气的混合物，有助于保障不锈钢粉末打印部件的完整性和强度。林德还为Desktop Metal 的Studio System金属桌面挤出系统开发了专门的套件。
混合气体优化打印过程案例
合金元素流失也是造成成分缺陷的重要原因，LPBF部件中合金元素流失主要发生在熔池形成至凝固阶段。在此阶段，熔池过热可能造成金属或合金中低熔点或低汽压的合金元素的损失，如铝合金成形过程中的Mg元素损失和NiTi合金中的Ni损失。合金元素损失可能会导致成分严重偏离原始粉末成分，进而影响成形零件的性能。
镍钛合金因具有“形状记忆效应”在增材制造技术领域被广泛研究，但在激光打印该材料时，镍的蒸发会导致镍/钛比率的降低，从而改变零件的形状转变温度；此外，材料内部的氧气吸收也会导致该结果。这会对形状记忆产生负面影响并影响预期应用的整体性能；打印件的表面氧化也决定了需要大量的后处理。为避免这些问题，减少打印室中的氧气含量至关重要。为确保严格控制氧气水平，林德和3D Medlab 合作使用ADDvance O2精密氧气监测系统和ADDvance Laser230工艺气体混合物优化了镍钛合金的打印气氛。
当氧气水平没有得到严格控制时，镍钛零件可能会发生变色
林德还与EOS就ADDvance O2精密氧气监测系统的保护能力进行了合作，双方以铝合金为打印材料，证明了该产品有助于实现明确和高度准确的结果，对于推进合金的优化、可重复和可靠的增材制造具有意义。
Ti64晶格结构仅使用氩气保护时的飞溅（左图）与使用氩氦气混合物打印时的的飞溅（右图）
林德还与3D Medlab研究了新工艺气体对Ti64晶格结构在激光粉末床熔融(L-PBF)过程中的飞溅形成、工艺稳定性及3D打印零件性能产生的影响。使用光学断层扫描进行的过程监控表明，与单独使用氩气相比，使用氩气-氦气混合气体保护，显著减少了激光熔融过程中的飞溅，可将飞溅物的排放量降低35%，显著降低了缺陷的产生风险并提高了零件的整体表面质量。
END
3D打印过程中的烟尘和杂质会导致零件中产生缺陷，即使氧气含量的微小差异也可能会影响元素的稳定性，从而破坏材料的结构和化学特性。林德公司通过研究证明了优化的保护气体是会对打印质量造成影响，但就当前主流的关注情况来看，该因素似乎还未受到重视，并被视为影响高质量制造的关键因素。
文章来源：3D打印技术参考整理编辑