金屬增材制造工藝流程中的工藝步驟

來源： 洞察金屬增材制造

生產(chǎn)制造工具不是孤立運行的，它與上下游工藝緊密結(jié)合，只有當這種結(jié)合成功時，它才有價值。要成功實施金屬增材制造（AM，俗稱3D打印）生產(chǎn)流程，需要的不僅僅是安裝和操作一臺打印機。在評估、選擇、測試和實施金屬3D打印解決方案時，必須考慮整個AM 工作流程。

金屬AM工藝步驟取決于許多因素，包括技術(shù)、設備、行業(yè)和應用。本文介紹適用于大多數(shù)情況的工作流程，主要分為五個部分：設計、預處理、打印、后處理和質(zhì)量保證。

增材制造工藝步驟圖，圖源：Metal AM

設計

設計是工作流程的第一步。金屬AM設計所面臨的挑戰(zhàn)和機遇因選擇現(xiàn)有零件進行打印還是創(chuàng)建新零件設計而異。

對于現(xiàn)有零件設計，目標通常是選擇一種只需對零件進行少量修改的生產(chǎn)工藝。這樣可以降低重新設計和重新標定的成本。在這種情況下，3D打印的商業(yè)價值取決于時間和生產(chǎn)成本的節(jié)省，而不是產(chǎn)品性能的提高。如果選擇現(xiàn)有的零件設計，金屬增材制造的價值實現(xiàn)時間通常較短。

對于全新的設計，設計要兼顧產(chǎn)品功能和可制造性。為3D打印而設計（或修改）的零件可提高產(chǎn)品性能，成為商業(yè)價值的潛在驅(qū)動力。每種金屬AM工藝都有自己的設計規(guī)則，這些規(guī)則限制了零件的幾何形狀，并決定了在打印過程中支撐零件所需的結(jié)構(gòu)（"支撐"）設計。工程師們越來越多地采用生成設計和拓撲優(yōu)化來為3D打印進行設計，市場上也出現(xiàn)了相應的新工具。

汽車變速箱支架，圖源：華曙高科

預處理和打印

預處理包括設計和打印之間的各個步驟。第一個預處理步驟是將CAD文件轉(zhuǎn)換成打印機用來構(gòu)建零件每一層的指令。這些指令通過切片創(chuàng)建，將CAD模型切成片層，并為打印過程生成工具路徑。工具路徑包含掃描路徑信息和打印過程參數(shù)（例如用于熔化金屬的功率）。一次構(gòu)建可能有多個部件，在這種情況下，在構(gòu)建板上有效地擺放部件是一個額外的步驟。

對于某些技術(shù)而言，定義工藝參數(shù)是一個復雜且需反復迭代的過程，因為打印金屬的質(zhì)量和精度對這些參數(shù)非常敏感。在批量生產(chǎn)中，打印參數(shù)通常是固定的，然后通過持續(xù)的機器校準進行維護。在某些技術(shù)中，工藝參數(shù)通過閉環(huán)工藝控制進行實時管理。

軟件預處理和參數(shù)開發(fā)完成后，就是設備的物理設置，包括：

1、裝載并對齊構(gòu)建板或基板

2、準備打印所需惰性氣氛以防止氧化

3、為打印機準備和裝載原料。

這些步驟的復雜程度取決于原料類型。例如，金屬粉末因其易燃性、毒性和易氧化性而需合規(guī)處理。

后處理

后處理有時候會比打印過程本身更昂貴、更耗時。

各種AM工藝、設備、應用等的后處理步驟千差萬別，需滿足零件的所有要求（如精度、表面粗糙度、強度等），這也是流程步驟驗證通常需要迭代和測試的另一個領域。大多數(shù)關(guān)鍵步驟概述如下。

1、將打印件連同構(gòu)建板從設備中取出。

2、清除構(gòu)建零件中多余的材料，如粉末。

3、檢查精度、潛在分層、表面質(zhì)量、支撐附件等。

4、部件分離：使用電火花加工、帶鋸或機械加工從構(gòu)建板上拆卸部件。如果為嵌套目的而連接部件，則將部件從彼此間移除。

5、從單個零件上拆下支撐件，通常需要使用剪切機、電火花加工、帶鋸或機械加工（支撐件拆卸也可在二次加工步驟中完成）。

6、對于粘結(jié)劑工藝，須去粘結(jié)劑和燒結(jié)。將零件浸泡在溶液中長達數(shù)天，以去除金屬中的粘結(jié)材料。燒結(jié)前一步驟中的高孔隙率零件，以降低孔隙率。

7、機械加工：去除剩余支撐、平滑表面、添加關(guān)鍵特征并達到關(guān)鍵公差�？赡苄枰�定制夾具來固定打印件，以便進行二次加工。如果零件幾何形狀復雜，這些夾具的設計和制造就可能耗費大量資源。

8、表面拋光：拋光加工無法達到表面粗糙度要求的表面。滾揉或拋丸強化，以平滑和/或加工硬化表面，或去除未加工表面的松散粉末。

9、熱處理(HT)：在去除構(gòu)建后進行熱處理，以幫助消除殘余應力。

9、熱等靜壓(HIP)：通常在部件分離后，用于粉末工藝，以減少孔隙率并進一步釋放應力。

10、熔爐燒結(jié)：粉末粘結(jié)劑工藝在去除粘結(jié)劑后需要使用。這會導致大量收縮和幾何形狀偏移。這必須在設計階段進行上游補償，并與質(zhì)量保證部門密切配合。

11、在加工前進行高溫處理，以對材料進行回火并降低硬度（由于大多數(shù)金屬打印工藝中的快速冷卻，材料可能處于難以加工的高硬度狀態(tài)）。

12、機加工后進行高溫回火，以達到最終硬度要求以及所需的冶金相和晶粒結(jié)構(gòu)。

表面處理前（左）和后（右）的零件，圖源：Unionfab

質(zhì)量保證

AM的質(zhì)量保證 (QA) 不是一個單一的步驟，而是在整個工作流程中執(zhí)行的一系列檢查、測量、分析和記錄。

金屬AM的質(zhì)量保證是獨一無二的。與大多數(shù)傳統(tǒng)制造工藝不同，大多數(shù)金屬AM工藝的可重復性都不是理所當然的。某些工藝對難以控制的原材料和工藝變量特別敏感。這就更加需要針對軟件、硬件和材料制定強有力的質(zhì)量保證戰(zhàn)略。能夠直接測量和控制金屬沉積過程的工藝將更具優(yōu)勢。
案例

下面的流程圖顯示了安裝在美國國家航空航天局（NASA）"堅毅"號漫游車上的五個3D打印外殼部件的生產(chǎn)工作流程。這些輕質(zhì)薄壁部件需要經(jīng)過多輪后處理和檢測才能投入使用。

工作流程示意圖，圖源：Metal AM

參考資料：
[1] www.digitalalloys.com
[2] https://www.additivemanufacturing.media/