利用增材制造技術(shù)制造高質(zhì)量金屬零部件

與所有的制造工藝一樣，增材制造技術(shù)也包括一些變化因素，其中之一就是粉末材料的化學(xué)性質(zhì)。航空航天工業(yè)現(xiàn)在正越來越多地采用金屬增材制造技術(shù)（俗稱3D打�。﹣碇苽滹w機(jī)上的安全關(guān)鍵零件和一些非關(guān)鍵性飛行零件。使用該方法能得到更短的開發(fā)周期，更快的產(chǎn)品市場投放，此外，該方法還有助于實現(xiàn)一些早期難以實現(xiàn)的設(shè)計意圖。

與其他3D打印方法類似，金屬增材制造技術(shù)，特別是選擇激光熔融技術(shù)（SLM）和電子束熔化技術(shù)（EBM），可以通過沉積的形式，利用激光或其他熱源將金屬粉末熔化進(jìn)而逐層構(gòu)建零部件。
如何制造出更好的零件
3D打印粉末的物理性質(zhì)是一個重要的影響因素。掃描電子顯微鏡（SEM）可以有效揭示粉末的形狀和表面形態(tài)。

生產(chǎn)高質(zhì)量的3D打印金屬零部件需要了解用于制造零部件的粉末特性，并分析零件本身的強(qiáng)度和化學(xué)性質(zhì)。與值得信賴的獨(dú)立測試實驗室合作，可以讓您更加深入的了解到整個3D打印過程——從粉末表征到確定最佳測試，進(jìn)而更好的制備出符合航空航天工業(yè)要求的零件。

增材制造技術(shù)的優(yōu)勢
與其他一些加工方法相比，增材制造技術(shù)可用于零件的快速原型制作，以及作為一種更快、更經(jīng)濟(jì)的方法來創(chuàng)建零件模具和模型等。其最大的優(yōu)勢之一就是制作外形高度復(fù)雜的零件。

在過去，復(fù)雜的零件需要同時采用幾種不同的加工操作，或者使用多個零部件組裝而成。通過金屬增材制造技術(shù)，可以制造單個部件來替換傳統(tǒng)的采用焊接或緊固系統(tǒng)組合的多個部件。這不僅使制造速度更快，成本更低，產(chǎn)品規(guī)格更一致，而且制造出的無縫零部件性能更好且不合格品更少。

標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證
由于金屬增材制造技術(shù)在航空航天工業(yè)內(nèi)仍然屬于一種相對較新的技術(shù)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證仍在開發(fā)過程中。人們對傳統(tǒng)技術(shù)（如鑄造和鍛造）制備的金屬零件已經(jīng)進(jìn)行了多年的研究并開發(fā)出了可用于航空航天應(yīng)用的數(shù)據(jù)庫，然而，3D打印技術(shù)制備的零部件需要進(jìn)行新的研究和驗證，以便于在技術(shù)角度和商業(yè)角度方向了解該新技術(shù)制造的零件會如何對飛行條件做出反應(yīng)。

在美國，利用增材制造生產(chǎn)的飛機(jī)零部件必須由聯(lián)邦航空管理局（FAA）單獨(dú)認(rèn)證。由于此過程包括了特定3D打印機(jī)和粉末成分的要求，因此制造商很難轉(zhuǎn)向大規(guī)模生產(chǎn)。然而，隨著更多標(biāo)準(zhǔn)的建立，航空航天工業(yè)將更容易在大規(guī)模生產(chǎn)上采用3D金屬打印技術(shù)。

一些標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)開始陸續(xù)發(fā)布，更多的將在未來一到兩年內(nèi)完成：例如，美國國家航空航天局最近公布了馬歇爾太空飛行中心（MSFC）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)為將激光粉末床熔融技術(shù)制造高度可靠性航空航天零部件提供了參考框架。SAE國際增材制造委員會AC7101正在開發(fā)用于增材制造技術(shù)的航空材料的工藝規(guī)范，其中一些將在今年發(fā)布。SAE制定的這項規(guī)范最終將涵蓋前體材料，化學(xué)性質(zhì)，增材制造工藝過程，系統(tǒng)要求，后期材料，預(yù)處理和后處理工藝，無損檢測和質(zhì)量保證等。

去年，ASTM委員會F42就增材制造技術(shù)相關(guān)問題發(fā)布了15項新的提議標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)將幫助參與增材制造技術(shù)的公司更好的遵守國家航空航天和國防承包商認(rèn)證計劃（Nadcap）中制定的認(rèn)證清單，這是一項主要由航空航天和國防工業(yè)公司開展的合作計劃。

隨著一些標(biāo)準(zhǔn)變得越來越強(qiáng)大，打印工藝和機(jī)器變得更加先進(jìn)，我們可以預(yù)期增材制造技術(shù)將在更多的領(lǐng)域內(nèi)取得廣泛的應(yīng)用。

盡管在拉伸實驗中有時會看到微裂紋，但這并不是很常見的。

為什么要使用商業(yè)測試實驗室？
隨著標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證的不斷變化，使用金屬增材制造技術(shù)的獨(dú)立商業(yè)測試實驗室將非常有幫助。例如，獨(dú)立測試實驗室可以提供FAA驗證所需的全面測試文檔，以便可以始終以符合規(guī)格的方式制造零部件。

獨(dú)立測試實驗室擁有各種各樣的測試設(shè)備和技術(shù)專長，不僅可以運(yùn)行專門的設(shè)備和儀器，還可以開發(fā)測試方法和解釋測試結(jié)果，此外，使用獨(dú)立的測試實驗室還可以避免購買和學(xué)習(xí)如何使用昂貴的測試設(shè)備，因為這些設(shè)備在標(biāo)準(zhǔn)成熟后可能并不會有太大用處。

和獨(dú)立的測試實驗室合作，及時了解適合金屬增材制造技術(shù)的最佳測試方法，并積極參與制定標(biāo)準(zhǔn)有助于您確定可用于內(nèi)部測試的正確類型設(shè)備然后通過相關(guān)性研究為您提供技術(shù)支持，以確保您的內(nèi)部測試結(jié)果更加準(zhǔn)確，穩(wěn)定。

優(yōu)質(zhì)粉料制造優(yōu)質(zhì)零部件
與每個制造工藝一樣，增材制造技術(shù)也包括一些變化的影響因素。測試則可以幫助識別和量化原材料、3D打印機(jī)和所使用的確切工藝的變化將如何影響最終打印成品。了解流程變化的來源以及哪些來源最為關(guān)鍵，可以實施控制措施以最大限度地減少這些變化。

變化的其中一個來源是粉末的化學(xué)性質(zhì)。每個粉末供應(yīng)商都可以通過多種方式改進(jìn)其粉末，這使得了解粉末化學(xué)和性質(zhì)變得非常重要，這樣可以相應(yīng)地調(diào)整3D打印機(jī)的功率要求和打印速度。分析粉末中的主要元素以及氣體和微量元素的含量非常重要，因為微量元素在金屬固化過程中起著關(guān)鍵作用。隨著更多內(nèi)部研究和開發(fā)的進(jìn)行，服務(wù)提供商開始更加深入的了解粉末化學(xué)和特性，并將其與3D打印機(jī)類型和加工參數(shù)關(guān)聯(lián)起來，這些關(guān)聯(lián)將有助于打印出一些特定的產(chǎn)品。

除了化學(xué)性質(zhì)，粉末的物理性質(zhì)則是另一個重要的考慮因素。掃描電子顯微鏡（SEM）可以揭示粉末顆粒形狀和表明形態(tài)。流動性能好，粒度分布窄，尺寸均勻，化學(xué)純度高和氧含量低的金屬粉末往往可以制備出更高質(zhì)量的金屬零部件。

粉末再利用在增材制造中也是非常常見的，因為金屬粉末一般非常昂貴并且在3D打印期間僅有一部分熔化。但是，當(dāng)粉末被重復(fù)使用時，化學(xué)物質(zhì)又會發(fā)生變化：例如一些顆粒會被氧化，此外，在激光燒結(jié)過程中分裂的一些小粉末顆粒會聚集在一起，形成粉末小團(tuán)。因此，分析粉末特性以了解粉末是否可以重復(fù)利用以及可以重復(fù)使用多少次或者是否需要調(diào)整加工參數(shù)是非常重要的。有時修改原生粉末的化學(xué)成分可以改善重復(fù)使用的粉末的性質(zhì)。除此之外，還應(yīng)檢查利用重復(fù)使用的粉末制成的零件的相關(guān)性能，以確定其強(qiáng)度或其他機(jī)械性能是否與原始粉末打印的產(chǎn)品有所不同。這個過程也許非常耗費(fèi)時間，但卻可以產(chǎn)生巨大的好處：例如，能夠極大的提高原材料的使用率，進(jìn)而降低材料的成本等。

打印零部件的測試
使用3D金屬打印的制造商在打印零件之前必須確保其所使用的打印機(jī)器是合格的。這包括向認(rèn)證機(jī)構(gòu)證明使用該機(jī)器制造的部件的材料強(qiáng)度在不同批次之間是一致的，并且對于制造件上的不同位置處的材料強(qiáng)度也是相同的。例如，如果正在打印一個盒子，那么角落和盒子的中心都必須具有相同的材料強(qiáng)度。這種類型的分析可以對打印部件上不同位置的材料進(jìn)行測試（例如試?yán)�伸試）來驗證3D打印部件的機(jī)械強(qiáng)度。另一個考慮因素是最終部件的特性必須是是各向異性的。由于3D打印成型主要依靠的是材料分層沉積的方式，因此當(dāng)在不同方向上測量時，這些部件的某些物理特性可能會有所差距。這使得在各種不同的打印方向上對強(qiáng)度進(jìn)行測試也變得很重要。

還有一個重要因素值得注意，尤其是在航空航天和其他一些關(guān)鍵工業(yè)應(yīng)用中，也即有時在金屬沉積過程中會形成一些微裂紋。這些小裂縫在零部件的表面上可能會發(fā)展成一個非常重要的問題，這些表面也許會經(jīng)歷諸如著陸和起飛之類的壓力。這個壓力可以在裂縫處倍增五倍形成應(yīng)力集中效應(yīng)，進(jìn)而影響零部件的正常使用。在材料規(guī)格內(nèi)調(diào)整粉末的化學(xué)成分有助于防止微裂紋的產(chǎn)生。

隨著相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證的不斷變化，和獨(dú)立的商業(yè)測試實驗室合作，金屬增材制造技術(shù)將是非常有用的。

雖然拉伸試驗的結(jié)果有時會出現(xiàn)微裂紋，但它們并不總是出現(xiàn)。對沉積式的打印部件進(jìn)行顯微分析可以有效觀察到其中的裂縫，進(jìn)而評估孔隙率和其他弱點來源：例如，當(dāng)金屬顆粒熔化在一起時形成的孔隙等。金屬3D打印部件的微觀結(jié)構(gòu)與使用傳統(tǒng)減法制造方法制造的部件（采用相同材料）不同，因此咨詢合格的獨(dú)立測試實驗室，并了解一些尋找微觀結(jié)構(gòu)缺陷的專業(yè)知識是非常重要的。

對于航空航天工業(yè)中的金屬增材制造來說，這是一個激動人心且快速變化的技術(shù)。與值得信賴的獨(dú)立測試實驗室合作，可幫助您了解不斷變化的標(biāo)準(zhǔn)，并幫助您了解如何優(yōu)化粉末特性和加工參數(shù)，以生產(chǎn)出質(zhì)量更高的3D打印零部件。

來源：qualitymag