增材制造工藝的可變性

來(lái)源： 增材之光  

雖然增材制造（AM）歷來(lái)被用于快速原型制造,，該領(lǐng)域已經(jīng)有了很大的進(jìn)步，將增材制造用于制造和生產(chǎn)最終用途產(chǎn)品,。為了用作制造解決方案，增材制造工藝必須為材料特性和幾何尺寸產(chǎn)生可重復(fù)的結(jié)果。在定義諸如設(shè)計(jì)允許值,，質(zhì)量控制程序，可接受的廢品率和作為生產(chǎn)方法的一般適用性等項(xiàng)目時(shí),，理解增材制造過(guò)程可重復(fù)的程度是一個(gè)關(guān)鍵因素,。雖然有幾項(xiàng)研究正在研究增材制造工藝的尺寸精度，但沒(méi)有一項(xiàng)研究關(guān)注精度的多種技術(shù),。此外,，很少有研究檢驗(yàn)增材制造工藝的機(jī)械性能變化,，大多數(shù)分析都是針對(duì)金屬增材制造解決方案。該研究檢查了增材制造過(guò)程的機(jī)械和尺寸變化,，以確定聚合物溶液的制造準(zhǔn)備情況,。該研究旨在使性能表征標(biāo)準(zhǔn)化，以允許在過(guò)程之間進(jìn)行直接比較,，盡管材料和構(gòu)建方法存在差異,。為實(shí)現(xiàn)此目的，測(cè)試策略支持檢測(cè)構(gòu)建平臺(tái),，構(gòu)建之間,，機(jī)器之間以及構(gòu)建方向之間的差異。為簡(jiǎn)明起見,，本報(bào)告將討論限制為累積和機(jī)器間差異,。

可變性和準(zhǔn)確性
研究和分析增材制造工藝的機(jī)械性能和幾何尺寸以及尺寸精度的可變性，以評(píng)估在生產(chǎn)中使用的準(zhǔn)備情況,�,？勺冃钥梢员硎緸榫�度，這與精度不同（圖1）,。理想情況下,，增材制造工藝在用于制造產(chǎn)品時(shí)既準(zhǔn)確又精確。然而,，精確（低可變性）但不準(zhǔn)確的過(guò)程優(yōu)于不精確但準(zhǔn)確的過(guò)程,。簡(jiǎn)單地說(shuō)，精度可以產(chǎn)生可預(yù)測(cè)和可重復(fù)的結(jié)果,，這些結(jié)果是控制制造過(guò)程和輸出質(zhì)量信心所必需的,。因此，增材制造工藝必須表現(xiàn)出低可變性,，以作為主流制造方法,。在該研究中，通過(guò)變異系數(shù)（COV）和標(biāo)準(zhǔn)偏差（SD）量化可變性,。

增材制造流程

有許多增材制造工藝和數(shù)量驚人的材料和機(jī)器組合,。為本研究選擇六種增材制造工藝和六種材料，選擇標(biāo)準(zhǔn)包括流行度（它們?cè)诠�業(yè)應(yīng)用中的使用頻率）和供應(yīng)商對(duì)制造準(zhǔn)備的要求,。表1列出了本研究中分析的增材制造過(guò)程,、機(jī)器和材料。

可變性：機(jī)械性能
對(duì)于材料屬性,，精度是衡量值與目標(biāo)的接近程度的指標(biāo),，這可能來(lái)源于數(shù)據(jù)表或之前的測(cè)試。精度是值的范圍或偏差的度量，與精度無(wú)關(guān),。對(duì)于該調(diào)查,，未評(píng)估增材制造材料之間的準(zhǔn)確性和相對(duì)差異。相反,，變異性（精度）作為衡量重復(fù)產(chǎn)生屬性值的能力,，是研究的重點(diǎn)。由于當(dāng)基值顯著不同時(shí),，標(biāo)準(zhǔn)偏差（SD）不能用作比較測(cè)量,，因此該分析依賴于變異系數(shù)（COV）作為可以重復(fù)實(shí)現(xiàn)預(yù)期結(jié)果的置信度的指標(biāo)。低變異系數(shù)表示高可預(yù)測(cè)性,，然后在反復(fù)達(dá)到材料特性規(guī)格時(shí)提高了置信水平,。例如，如果增材制造過(guò)程具有低變異系數(shù)但是不準(zhǔn)確,，則可以修改部件設(shè)計(jì)以適應(yīng)偏移,，或者可以調(diào)整處理參數(shù)以獲得期望的結(jié)果。因此,，與任何工藝一樣,，制造需要低變異系數(shù)，以確保從構(gòu)建到機(jī)器和機(jī)器到機(jī)器的一致性能,。該研究評(píng)估了變異系數(shù)的拉伸強(qiáng)度,，拉伸模量和斷裂伸長(zhǎng)率（EAB）。為了進(jìn)行詳細(xì)分析,，變異系數(shù)是從水平（XY）和垂直（ZX）方向構(gòu)建的測(cè)試試樣測(cè)量的,。此外，對(duì)兩臺(tái)增材制造機(jī)器的COV進(jìn)行了一致性調(diào)查,。有關(guān)測(cè)試方法的其他詳細(xì)信息,，請(qǐng)參閱附錄�,？傮w圖2顯示了通過(guò)工藝和試樣取向的拉伸強(qiáng)度，拉伸模量和斷裂伸長(zhǎng)率的變異系數(shù),。結(jié)果表明,，F(xiàn)DM，MJF和SLA的強(qiáng)度和模量COV均低,，均低于4.01％,，構(gòu)造方向之間僅略有差異。除MJF在XY方向的EAB外,，F(xiàn)DM,，MJF和SLA的EAB具有低至中等COV，范圍從4.96％到14.12％。通常,，EAB測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生的變異性比拉伸強(qiáng)度和拉伸模量的變化更大,，與制造工藝無(wú)關(guān)，因此這些結(jié)果符合預(yù)期,。

假設(shè)可以從現(xiàn)有材料中獲得所需的機(jī)械性能,，低變異系數(shù)（COV）表明FDM、MJF和SLA最適合生產(chǎn)應(yīng)用,。SLS,、CLIP和FFF的COV越高，可預(yù)測(cè)性就越低,，這不利于生產(chǎn),。FFF具有很高的變異性，除了一種情況外,，所有情況下最大的COV,，在XY方向上，SLS的拉伸強(qiáng)度更高,。圖2還顯示了兩個(gè)方向的COV之間的FFF偏差非常大,。然而，這一事實(shí)應(yīng)該被忽略,，因?yàn)閆X方向沒(méi)有很好地支持,，也不推薦用于FFF，因?yàn)闊o(wú)法穩(wěn)定薄而高的結(jié)構(gòu),。因此,，只有一半的FFF ZX樣本是在發(fā)現(xiàn)供應(yīng)商的定位建議后構(gòu)建的。如圖2所示,，除了一個(gè)實(shí)例外,，CLIP和SLS的COV值優(yōu)于FFF，但它們的值比FDM,，MJF和SLA差,。請(qǐng)注意，由于CLIP的構(gòu)建區(qū)域,，無(wú)法構(gòu)建XY方向的優(yōu)惠券,。

這是3D打印顧問(wèn)Todd Grimm的白皮書，盡管這是Stratasys委托研究的一部分,。它將成為系列的一部分,。