解讀金屬3D打印/增材制造的現(xiàn)狀及國際標準（上）

在GE關(guān)于3D打�。�增材制造的描述中，我們看到GE認為這一技術(shù)是具有顛覆力的，由于可以實現(xiàn)極為精致和復(fù)雜的細節(jié)，而產(chǎn)品的制造成本幾乎并不因為復(fù)雜性增加而增加，這一特點為產(chǎn)品重塑帶來極大的想像空間。那么，時至今日，3D打印尤其是金屬合金的增材制造發(fā)展狀況如何？接下來南極熊和大家一起來領(lǐng)略金屬合金3D打印／增材制造的現(xiàn)狀與現(xiàn)行使用的國際標準以及正在開發(fā)的國際標準。

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)計工程師面臨的第一個關(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。

舉例來說，在過去的5年里，服務(wù)提供商已經(jīng)無數(shù)次申明“我們肯定能打印鋁合金”。這樣的話可能有人相信，但如果你認為是任何鋁合金，那你往往是錯的，因為現(xiàn)實更為殘酷。即使是可用的合金粉末，其中許多聲稱堅持國際公認的標準。其實很多是專用的版本，這些合金粉末，許多是根據(jù)金屬系統(tǒng)供應(yīng)商所確認的規(guī)格來提供的。

圖：現(xiàn)有ASTM F42關(guān)于增材制造零件的測試標準

圖：正在開發(fā)的ASTM F42關(guān)于增材制造化學(xué)組分的要求標準

最后，也許更重要的是，對于設(shè)計工程師來說，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)拉伸測試。也經(jīng)歷了沒有熱處理，或其他消除應(yīng)力的工序。

圖：現(xiàn)有ASTM 關(guān)于零件機械性能的測試標準，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)大多是通過旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗得來的，該方法有利于實現(xiàn)快速定性結(jié)果。此外，通過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?shù)暮笃跓崽幚碇芷谝彩侵陵P(guān)重要的決策，這有利于實現(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，幾乎沒有人再用“快速成型”這樣的帶局限性的眼光來看待增材制造技術(shù)。大量的研究在確定每一種合金能達到的物理性能，無論是學(xué)術(shù)界、行業(yè)用戶，還是系統(tǒng)或粉末供應(yīng)商，我們開始看到零件正在走向生產(chǎn)之路。通過完全合格的應(yīng)用程序來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LEAP航空發(fā)動機引擎生產(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）過程
有許多術(shù)語被用來描述基本相同的過程：通過切片軟件對該三維模型進行切片分層，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，激光束再按當前層的填充輪廓線選區(qū)熔化基板上的粉末，加工出當前層，然后成型缸下降一個層厚的距離，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)進行加工，如此層層加工，直到整個零件加工完畢。整個加工過程在通有惰性氣體保護的加工室中進行，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)稱為3D打印，但嚴格來說，這并不是這一技術(shù)的真正準確名稱，增材制造更為準確。

圖：顯示多個增材制造層的典型剖面，來源雷尼紹

通過金屬增材制造工藝制造的零件通常被認為具有比砂型鑄造零件更好的材料性能，但通常達不到鍛造性能。原因是多方面的，也相當復(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）下進一步的差異化。這些成千上萬的微型焊接區(qū)域中包含更多的熱影響區(qū)。
針對PBF加工技術(shù)，ASTM正在出臺相關(guān)的標準。

圖：ASTM與ISO在現(xiàn)存的德國標準VDI3405基礎(chǔ)上發(fā)布FBF加工技術(shù)的標準，新標準計劃于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。通過調(diào)整許多工藝參數(shù)，最終對象機械性能的晶粒尺寸和微觀結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)一定程度的控制。

激光加工過程中，熔池的凝固行為對激光3D打印最終成形件的綜合性能具有至關(guān)重要的影響。凝固速率過慢引起的晶粒粗化將極大地降低材料強度；凝固速率過快易造成制件內(nèi)部微裂紋和孔隙等加工缺陷，導(dǎo)致制件使用過程中的提前失效。同時，伴隨凝固行為產(chǎn)生的殘余應(yīng)力集中問題與制件尺寸精度和表面粗糙度有密切聯(lián)系。國內(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。這種合金實際上主要有兩個檔次，更常見的是Grade 5級，和超低間隙Grade 23級。后者有更嚴格的控制氧和氮含量的要求。

ASTM F42所發(fā)布的關(guān)于鈦合金的各項標準對這種合金與應(yīng)用領(lǐng)域的結(jié)合是非常有幫助的。

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

由于每個設(shè)備供應(yīng)商的系統(tǒng)操作起來都有自己的特點，而且Ti64的殘余應(yīng)力是一個特別的問題。所以生產(chǎn)Ti64零件的過程不是那么簡單的設(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)致不同的機械性能。例如，雷尼紹在英國的醫(yī)療和牙科產(chǎn)品部門開發(fā)了一個定制的熱處理周期，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。

圖：Ti6Al4V力學(xué)性能比較表

當然其他的鈦金屬還包括工業(yè)純鈦Ti－CP、醫(yī)用鈦合金Ti7AI7Nb，和其他高溫或高強度鈦合金如Ti－6242。
鋁合金的加工是另一門學(xué)問，將鋁合金加工工藝形成一整套體系的是美國Sintavia。Sintavia綜合制造能力使得F357鋁合金的制造更加快速，并且達到或超過行業(yè)的嚴格驗證參數(shù)要求。Sintavia獨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125％的設(shè)計強度，精密度達100％。通過常溫、高溫強度驗證，以及零度以下的溫度驗證，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

來源：3D科學(xué)谷
延伸閱讀：美國3D打印標準化路線圖所揭示的26個當前設(shè)計短板