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(lái)越多地采用金屬增材制造技術(shù)（俗稱3D打印）來(lái)制備飛機(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(chǎng)投放，此外,，該方法還有助于實(shí)現(xiàn)一些早期難以實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)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(guò)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(gè)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(cè)試實(shí)驗(yàn)室合作，可以讓您更加深入的了解到整個(gè)3D打印過(guò)程——從粉末表征到確定最佳測(cè)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(shì)
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(lái)創(chuàng)建零件模具和模型等。其最大的優(yōu)勢(shì)之一就是制作外形高度復(fù)雜的零件,。

在過(guò)去,，復(fù)雜的零件需要同時(shí)采用幾種不同的加工操作，或者使用多個(gè)零部件組裝而成,。通過(guò)金屬增材制造技術(shù),，可以制造單個(gè)部件來(lái)替換傳統(tǒng)的采用焊接或緊固系統(tǒng)組合的多個(gè)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(wú)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(duì)較新的技術(shù),，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證仍在開發(fā)過(guò)程中。人們對(duì)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(kù),，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(yàn)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(huì)如何對(duì)飛行條件做出反應(yīng),。

在美國(guó),，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(guò)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(lái)一到兩年內(nèi)完成：例如,，美國(guó)國(guó)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(guó)際增材制造委員會(huì)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(xiàng)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(guò)程,，系統(tǒng)要求，后期材料，預(yù)處理和后處理工藝,，無(wú)損檢測(cè)和質(zhì)量保證等,。

去年，ASTM委員會(huì)F42就增材制造技術(shù)相關(guān)問(wèn)題發(fā)布了15項(xiàng)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(guó)家航空航天和國(guó)防承包商認(rèn)證計(jì)劃（Nadcap）中制定的認(rèn)證清單,，這是一項(xiàng)主要由航空航天和國(guó)防工業(yè)公司開展的合作計(jì)劃。

隨著一些標(biāo)準(zhǔn)變得越來(lái)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(shí)驗(yàn)中有時(shí)會(huì)看到微裂紋,，但這并不是很常見的,。

為什么要使用商業(yè)測(cè)試實(shí)驗(yàn)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(cè)試實(shí)驗(yàn)室將非常有幫助,。例如，獨(dú)立測(cè)試實(shí)驗(yàn)室可以提供FAA驗(yàn)證所需的全面測(cè)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(cè)試實(shí)驗(yàn)室擁有各種各樣的測(cè)試設(shè)備和技術(shù)專長(zhǎng)，不僅可以運(yùn)行專門的設(shè)備和儀器,，還可以開發(fā)測(cè)試方法和解釋測(cè)試結(jié)果,，此外，使用獨(dú)立的測(cè)試實(shí)驗(yàn)室還可以避免購(gòu)買和學(xué)習(xí)如何使用昂貴的測(cè)試設(shè)備,，因?yàn)檫@些設(shè)備在標(biāo)準(zhǔn)成熟后可能并不會(huì)有太大用處,。

和獨(dú)立的測(cè)試實(shí)驗(yàn)室合作，及時(shí)了解適合金屬增材制造技術(shù)的最佳測(cè)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(cè)試的正確類型設(shè)備然后通過(guò)相關(guān)性研究為您提供技術(shù)支持,，以確保您的內(nèi)部測(cè)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(gè)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(cè)試則可以幫助識(shí)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(lái)源以及哪些來(lái)源最為關(guān)鍵，可以實(shí)施控制措施以最大限度地減少這些變化,。

變化的其中一個(gè)來(lái)源是粉末的化學(xué)性質(zhì)。每個(gè)粉末供應(yīng)商都可以通過(guò)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?yàn)槲⒘吭�素在金屬固化過(guò)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(lái),，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(gè)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(dòng)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?yàn)榻饘俜勰┮话惴浅０嘿F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(shí),，化學(xué)物質(zhì)又會(huì)發(fā)生變化：例如一些顆粒會(huì)被氧化,，此外，在激光燒結(jié)過(guò)程中分裂的一些小粉末顆粒會(huì)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(shí)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(gè)過(guò)程也許非常耗費(fèi)時(shí)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(cè)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(duì)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(gè)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(duì)打印部件上不同位置的材料進(jìn)行測(cè)試（例如試?yán)�伸試）�?lái)驗(yàn)證3D打印部件的機(jī)械強(qiáng)度,。另一個(gè)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(cè)量時(shí)，這些部件的某些物理特性可能會(huì)有所差距,。這使得在各種不同的打印方向上對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試也變得很重要,。

還有一個(gè)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(shí)在金屬沉積過(guò)程中會(huì)形成一些微裂紋,。這些小裂縫在零部件的表面上可能會(huì)發(fā)展成一個(gè)非常重要的問(wèn)題，這些表面也許會(huì)經(jīng)歷諸如著陸和起飛之類的壓力,。這個(gè)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(cè)試實(shí)驗(yàn)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(yàn)的結(jié)果有時(shí)會(huì)出現(xiàn)微裂紋,，但它們并不總是出現(xiàn)。對(duì)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(píng)估孔隙率和其他弱點(diǎn)來(lái)源：例如,，當(dāng)金屬顆粒熔化在一起時(shí)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(cè)試實(shí)驗(yàn)室,，并了解一些尋找微觀結(jié)構(gòu)缺陷的專業(yè)知識(shí)是非常重要的。

對(duì)于航空航天工業(yè)中的金屬增材制造來(lái)說(shuō),，這是一個(gè)激動(dòng)人心且快速變化的技術(shù),。與值得信賴的獨(dú)立測(cè)試實(shí)驗(yàn)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(lái)源：qualitymag