解讀金屬3D打印/增材制造的現(xiàn)狀及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（上）

在GE關(guān)于3D打�,。�增材制造的描述��,，我們看到GE認(rèn)為這一技術(shù)是具有顛覆力的,，由于可以實(shí)現(xiàn)極為精致和復(fù)雜的細(xì)節(jié),，而產(chǎn)品的制造成本幾乎并不因?yàn)閺?fù)雜性增加而增加,，這一特點(diǎn)為產(chǎn)品重塑帶來(lái)極大的想像空間,。那么,，時(shí)至今日，3D打印尤其是金屬合金的增材制造發(fā)展?fàn)顩r如何,？接下來(lái)南極熊和大家一起來(lái)領(lǐng)略金屬合金3D打�,。�增材制造的現(xiàn)狀與現(xiàn)行使用的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)以及正在開(kāi)發(fā)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

大多數(shù)增材制造零件的成功取決于許多因素,，包括選擇合適的金屬合金粉末可能是任何一位設(shè)計(jì)工程師面臨的第一個(gè)關(guān)鍵決策,。不幸的是，可用于增材制造的金屬粉末的選擇還沒(méi)有像傳統(tǒng)制造的選擇一樣寬泛,。因此,，至關(guān)重要的是，工程師需要了解目前的限制,，并且理解可選擇的合金的物理性能,。

舉例來(lái)說(shuō)，在過(guò)去的5年里,，服務(wù)提供商已經(jīng)無(wú)數(shù)次申明“我們肯定能打印鋁合金”,。這樣的話可能有人相信，但如果你認(rèn)為是任何鋁合金,，那你往往是錯(cuò)的,，因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)更為殘酷。即使是可用的合金粉末,，其中許多聲稱(chēng)堅(jiān)持國(guó)際公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn),。其實(shí)很多是專(zhuān)用的版本,，這些合金粉末，許多是根據(jù)金屬系統(tǒng)供應(yīng)商所確認(rèn)的規(guī)格來(lái)提供的,。

圖：現(xiàn)有ASTM F42關(guān)于增材制造零件的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

圖：正在開(kāi)發(fā)的ASTM F42關(guān)于增材制造化學(xué)組分的要求標(biāo)準(zhǔn)

最后,，也許更重要的是，對(duì)于設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō),，這些合金性能的描述文檔仍然很缺乏,。大多數(shù)早期采用該技術(shù)的人不得不做模糊的靜態(tài)拉伸測(cè)試。也經(jīng)歷了沒(méi)有熱處理,，或其他消除應(yīng)力的工序,。

圖：現(xiàn)有ASTM 關(guān)于零件機(jī)械性能的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，可適用于增材制造

即使已經(jīng)公布的最常用合金的疲勞數(shù)據(jù),，這些數(shù)據(jù)大多是通過(guò)旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)得來(lái)的,，該方法有利于實(shí)現(xiàn)快速定性結(jié)果。此外,，通過(guò)增材制造得到的零件是最有可能具有各向異性的,，至少在平行方向上和垂直于構(gòu)建平面的方向上。這并不一定意味著是壞事,，或者是零件不能使用,，但這些屬性需要得到充分的理解。這與理解熱軋或冷軋對(duì)變形合金的影響,，或砂型鑄造或高壓壓鑄不同晶粒尺寸的影響是一樣的,。出于這些原因，選擇適當(dāng)?shù)暮笃跓崽幚碇芷谝彩侵陵P(guān)重要的決策,，這有利于實(shí)現(xiàn)零件所需的最終性能,。

毋庸置疑，增材制造已被許多行業(yè)所接受,，幾乎沒(méi)有人再用“快速成型”這樣的帶局限性的眼光來(lái)看待增材制造技術(shù),。大量的研究在確定每一種合金能達(dá)到的物理性能，無(wú)論是學(xué)術(shù)界,、行業(yè)用戶,，還是系統(tǒng)或粉末供應(yīng)商，我們開(kāi)始看到零件正在走向生產(chǎn)之路,。通過(guò)完全合格的應(yīng)用程序來(lái)增材制造零件成為全球努力的方向,。其中最受關(guān)注的是GE為L(zhǎng)EAP航空發(fā)動(dòng)機(jī)引擎生產(chǎn)的噴油嘴。從原型到生產(chǎn),，工業(yè)界看到增材制造在生產(chǎn)領(lǐng)域的巨大潛力,。

粉末床融化（POWDER BED FUSION－PBF）過(guò)程
有許多術(shù)語(yǔ)被用來(lái)描述基本相同的過(guò)程：通過(guò)切片軟件對(duì)該三維模型進(jìn)行切片分層，得到各截面的輪廓數(shù)據(jù),，由輪廓數(shù)據(jù)生成填充掃描路徑,，設(shè)備將按照這些填充掃描線，控制激光束或電子束選區(qū)熔化各層的金屬粉末材料,，逐步堆疊成三維金屬零件,。

激光束或電子束開(kāi)始掃描前，鋪粉裝置先把金屬粉末平推到成型缸的基板上,，激光束再按當(dāng)前層的填充輪廓線選區(qū)熔化基板上的粉末,，加工出當(dāng)前層，然后成型缸下降一個(gè)層厚的距離,，粉料缸上升一定厚度的距離,，鋪粉裝置再在已加工好的當(dāng)前層上鋪好金屬粉末。設(shè)備調(diào)入下一層輪廓的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工,，如此層層加工,，直到整個(gè)零件加工完畢。整個(gè)加工過(guò)程在通有惰性氣體保護(hù)的加工室中進(jìn)行,，以避免金屬在高溫下與其他氣體發(fā)生反應(yīng),。
許多人把這一技術(shù)稱(chēng)為3D打印，但嚴(yán)格來(lái)說(shuō),，這并不是這一技術(shù)的真正準(zhǔn)確名稱(chēng),，增材制造更為準(zhǔn)確。

圖：顯示多個(gè)增材制造層的典型剖面,，來(lái)源雷尼紹

通過(guò)金屬增材制造工藝制造的零件通常被認(rèn)為具有比砂型鑄造零件更好的材料性能,，但通常達(dá)不到鍛造性能。原因是多方面的,，也相當(dāng)復(fù)雜,。在大多數(shù)情況下，可以理解為一層一層融化金屬粉末的過(guò)程中使得具有不同的微觀結(jié)構(gòu)與材料性能的金屬基體在熱影響區(qū)（HAZ）下進(jìn)一步的差異化,。這些成千上萬(wàn)的微型焊接區(qū)域中包含更多的熱影響區(qū),。
針對(duì)PBF加工技術(shù)，ASTM正在出臺(tái)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn),。

圖：ASTM與ISO在現(xiàn)存的德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)VDI3405基礎(chǔ)上發(fā)布FBF加工技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn),，新標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃于2017年中完成。

由于激光或電子束快速熔化金屬粉末,，然后快速固化,，這一切發(fā)生在一個(gè)非常高的速度范圍內(nèi)，由此產(chǎn)生的金相晶粒尺寸可以發(fā)生明顯的變化,。通過(guò)調(diào)整許多工藝參數(shù),，最終對(duì)象機(jī)械性能的晶粒尺寸和微觀結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)一定程度的控制。

激光加工過(guò)程中,，熔池的凝固行為對(duì)激光3D打印最終成形件的綜合性能具有至關(guān)重要的影響,。凝固速率過(guò)慢引起的晶粒粗化將極大地降低材料強(qiáng)度,；凝固速率過(guò)快易造成制件內(nèi)部微裂紋和孔隙等加工缺陷，導(dǎo)致制件使用過(guò)程中的提前失效,。同時(shí),，伴隨凝固行為產(chǎn)生的殘余應(yīng)力集中問(wèn)題與制件尺寸精度和表面粗糙度有密切聯(lián)系。國(guó)內(nèi)在這一領(lǐng)域有著突出的研究,。

圖：激光3D打印熔池橫截面SEM,，來(lái)源：南京航空航天大學(xué)

常用合金粉末
合金粉末最常用的是鈦合金Ti6Al4V或者叫Ti64，這種合金令人難以置信的多才多藝,，通常用于許多行業(yè),，由于其高強(qiáng)度，可比鋼,，但幾乎是鋼一半的重量,，所以用途廣泛，成為最流行的合金之一,。這種合金實(shí)際上主要有兩個(gè)檔次,，更常見(jiàn)的是Grade 5級(jí)，和超低間隙Grade 23級(jí),。后者有更嚴(yán)格的控制氧和氮含量的要求,。

ASTM F42所發(fā)布的關(guān)于鈦合金的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)這種合金與應(yīng)用領(lǐng)域的結(jié)合是非常有幫助的。

圖：現(xiàn)有ASTM 關(guān)于鈦與鋁的標(biāo)準(zhǔn),，可適用于增材制造

由于每個(gè)設(shè)備供應(yīng)商的系統(tǒng)操作起來(lái)都有自己的特點(diǎn),，而且Ti64的殘余應(yīng)力是一個(gè)特別的問(wèn)題。所以生產(chǎn)Ti64零件的過(guò)程不是那么簡(jiǎn)單的設(shè)定好參數(shù)就可以完成的,。值得注意的是,，有許多不同的應(yīng)力消除熱處理周期，每種周期將導(dǎo)致不同的機(jī)械性能,。例如,，雷尼紹在英國(guó)的醫(yī)療和牙科產(chǎn)品部門(mén)開(kāi)發(fā)了一個(gè)定制的熱處理周期，提升了ELI合金的加工靈活性,，目前他們將這一工藝加工的產(chǎn)品冠以X – Flex?的商標(biāo),。

圖：Ti6Al4V力學(xué)性能比較表

當(dāng)然其他的鈦金屬還包括工業(yè)純鈦Ti－CP、醫(yī)用鈦合金Ti7AI7Nb,，和其他高溫或高強(qiáng)度鈦合金如Ti－6242,。
鋁合金的加工是另一門(mén)學(xué)問(wèn)，將鋁合金加工工藝形成一整套體系的是美國(guó)Sintavia,。Sintavia綜合制造能力使得F357鋁合金的制造更加快速,，并且達(dá)到或超過(guò)行業(yè)的嚴(yán)格驗(yàn)證參數(shù)要求。Sintavia獨(dú)家的鋁合金加工工藝是一整套的體系,，不僅包括預(yù)構(gòu)建材料分析,，還包括后期熱處理和壓力消除,，從而能夠生產(chǎn)出高達(dá)125％的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，精密度達(dá)100％,。通過(guò)常溫,、高溫強(qiáng)度驗(yàn)證，以及零度以下的溫度驗(yàn)證,，Sintavia能夠快速生產(chǎn)出滿足要求的鋁件。

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參考資料：
－AMSC＿Roadmap
－CN105718690A
－Sintavia Develops Exclusive Process for Printing F357 Aluminum
－The status quo of metal alloys for additive manufacturing

來(lái)源：3D科學(xué)谷
延伸閱讀：美國(guó)3D打印標(biāo)準(zhǔn)化路線圖所揭示的26個(gè)當(dāng)前設(shè)計(jì)短板