利用增材制造技術制造高質量金屬零部件

與所有的制造工藝一樣，增材制造技術也包括一些變化因素，其中之一就是粉末材料的化學性質。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（俗稱3D打印）來制備飛機上的安全關鍵零件和一些非關鍵性飛行零件。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)的設計意圖。

與其他3D打印方法類似，金屬增材制造技術，特別是選擇激光熔融技術（SLM）和電子束熔化技術（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而逐層構建零部件。
如何制造出更好的零件
3D打印粉末的物理性質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度和化學性質。與值得信賴的獨立測試實驗室合作，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。

增材制造技術的優(yōu)勢
與其他一些加工方法相比，增材制造技術可用于零件的快速原型制作，以及作為一種更快、更經(jīng)濟的方法來創(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雜的零件。

在過去，復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，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。

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

在美國，利用增材制造生產(chǎn)的飛機零部件必須由聯(lián)邦航空管理局（FAA）單獨認證。由于此過程包括了特定3D打印機和粉末成分的要求，因此制造商很難轉向大規(guī)模生產(chǎn)。然而，隨著更多標準的建立，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。

一些標準已經(jīng)開始陸續(xù)發(fā)布，更多的將在未來一到兩年內完成：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）技術標準，該標準為將激光粉末床熔融技術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，化學性質，增材制造工藝過程，系統(tǒng)要求，后期材料，預處理和后處理工藝，無損檢測和質量保證等。

去年，ASTM委員會F42就增材制造技術相關問題發(fā)布了15項新的提議標準，這些標準將幫助參與增材制造技術的公司更好的遵守國家航空航天和國防承包商認證計劃（Nadcap）中制定的認證清單，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。

隨著一些標準變得越來越強大，打印工藝和機器變得更加先進，我們可以預期增材制造技術將在更多的領域內取得廣泛的應用。

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？
隨著標準和認證的不斷變化，使用金屬增材制造技術的獨立商業(yè)測試實驗室將非常有幫助。例如，獨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。

獨立測試實驗室擁有各種各樣的測試設備和技術專長，不僅可以運行專門的設備和儀器，還可以開發(fā)測試方法和解釋測試結果，此外，使用獨立的測試實驗室還可以避免購買和學習如何使用昂貴的測試設備，因為這些設備在標準成熟后可能并不會有太大用處。

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

優(yōu)質粉料制造優(yōu)質零部件
與每個制造工藝一樣，增材制造技術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性質。每個粉末供應商都可以通過多種方式改進其粉末，這使得了解粉末化學和性質變得非常重要，這樣可以相應地調整3D打印機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鍵作用。隨著更多內部研究和開發(fā)的進行，服務提供商開始更加深入的了解粉末化學和特性，并將其與3D打印機類型和加工參數(shù)關聯(lián)起來，這些關聯(lián)將有助于打印出一些特定的產(chǎn)品。

除了化學性質，粉末的物理性質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，化學純度高和氧含量低的金屬粉末往往可以制備出更高質量的金屬零部件。

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，當粉末被重復使用時，化學物質又會發(fā)生變化：例如一些顆粒會被氧化，此外，在激光燒結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。因此，分析粉末特性以了解粉末是否可以重復利用以及可以重復使用多少次或者是否需要調整加工參數(shù)是非常重要的。有時修改原生粉末的化學成分可以改善重復使用的粉末的性質。除此之外，還應檢查利用重復使用的粉末制成的零件的相關性能，以確定其強度或其他機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器是合格的。這包括向認證機構證明使用該機器制造的部件的材料強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度。這種類型的分析可以對打印部件上不同位置的材料進行測試（例如試拉伸試）來驗證3D打印部件的機械強度。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度進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鍵工業(yè)應用中，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力集中效應，進而影響零部件的正常使用。在材料規(guī)格內調整粉末的化學成分有助于防止微裂紋的產(chǎn)生。

隨著相關標準和認證的不斷變化，和獨立的商業(yè)測試實驗室合作，金屬增材制造技術將是非常有用的。

雖然拉伸試驗的結果有時會出現(xiàn)微裂紋，但它們并不總是出現(xiàn)。對沉積式的打印部件進行顯微分析可以有效觀察到其中的裂縫，進而評估孔隙率和其他弱點來源：例如，當金屬顆粒熔化在一起時形成的孔隙等。金屬3D打印部件的微觀結構與使用傳統(tǒng)減法制造方法制造的部件（采用相同材料）不同，因此咨詢合格的獨立測試實驗室，并了解一些尋找微觀結構缺陷的專業(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。與值得信賴的獨立測試實驗室合作，可幫助您了解不斷變化的標準，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)出質量更高的3D打印零部件。

來源：qualitymag