|
在GE關(guān)于3D打印/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(shí)現極為精致和復雜的細節，而產(chǎn)品的制造成本幾乎并不因為復雜性增加而增加，這一特點(diǎn)為產(chǎn)品重塑帶來(lái)極大的想像空間。
那么，時(shí)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？本期，3D科學(xué)谷與谷友一起來(lái)領(lǐng)略金屬合金3D打印/增材制造的現狀與現行使用的國際標準以及正在開(kāi)發(fā)的國際標準。
大多數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計工程師面臨的第一個(gè)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(méi)有像傳統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(lái)說(shuō)，在過(guò)去的5年里，服務(wù)提供商已經(jīng)無(wú)數次申明“我們肯定能打印鋁合金”。這樣的話(huà)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，因為現實(shí)更為殘酷。
即使是可用的合金粉末，其中許多聲稱(chēng)堅持國際公認的標準。其實(shí)很多是專(zhuān)用的版本，這些合金粉末，許多是根據金屬系統供應商所確認的規格來(lái)提供的。
圖：現有ASTM F42關(guān)于增材制造零件的測試標準
圖：正在開(kāi)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，對于設計工程師來(lái)說(shuō)，這些合金性能的描述文檔仍然很缺乏。詳情請參考3D科學(xué)谷發(fā)布的《看美國3D打印標準化路線(xiàn)圖所揭示的26個(gè)當前設計短板》。大多數早期采用該技術(shù)的人不得不做模糊的靜態(tài)拉伸測試。也經(jīng)歷了沒(méi)有熱處理，或其他消除應力的工序。
圖：現有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據，這些數據大多是通過(guò)旋轉彎曲疲勞試驗得來(lái)的，該方法有利于實(shí)現快速定性結果。此外，通過(guò)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建平面的方向上。這并不一定意味著(zhù)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，選擇適當的后期熱處理周期也是至關(guān)重要的決策，這有利于實(shí)現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(méi)有人再用“快速成型”這樣的帶局限性的眼光來(lái)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(wú)論是學(xué)術(shù)界、行業(yè)用戶(hù)，還是系統或粉末供應商，我們開(kāi)始看到零件正在走向生產(chǎn)之路。通過(guò)完全合格的應用程序來(lái)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L(cháng)EAP航空發(fā)動(dòng)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。
有許多術(shù)語(yǔ)被用來(lái)描述基本相同的過(guò)程：通過(guò)切片軟件對該三維模型進(jìn)行切片分層，得到各截面的輪廓數據，由輪廓數據生成填充掃描路徑，設備將按照這些填充掃描線(xiàn)，控制激光束或電子束選區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(kāi)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(xiàn)選區熔化基板上的粉末，加工出當前層，然后成型缸下降一個(gè)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。設備調入下一層輪廓的數據進(jìn)行加工，如此層層加工，直到整個(gè)零件加工完畢。整個(gè)加工過(guò)程在通有惰性氣體保護的加工室中進(jìn)行，以避免金屬在高溫下與其他氣體發(fā)生反應。
許多人把這一技術(shù)稱(chēng)為3D打印，但嚴格來(lái)說(shuō)，這并不是這一技術(shù)的真正準確名稱(chēng)，增材制造更為準確。
圖：顯示多個(gè)增材制造層的典型剖面，來(lái)源雷尼紹
通過(guò)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，也相當復雜。在大多數情況下，可以理解為一層一層融化金屬粉末的過(guò)程中使得具有不同的微觀(guān)結構與材料性能的金屬基體在熱影響區（HAZ）下進(jìn)一步的差異化。這些成千上萬(wàn)的微型焊接區域中包含更多的熱影響區。
針對PBF加工技術(shù)，ASTM正在出臺相關(guān)的標準。
圖：ASTM與ISO在現存的德國標準VDI3405基礎上發(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(gè)非常高的速度范圍內，由此產(chǎn)生的金相晶粒尺寸可以發(fā)生明顯的變化。通過(guò)調整許多工藝參數，最終對象機械性能的晶粒尺寸和微觀(guān)結構可實(shí)現一定程度的控制。
激光加工過(guò)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(guò)慢引起的晶粒粗化將極大地降低材料強度；凝固速率過(guò)快易造成制件內部微裂紋和孔隙等加工缺陷，導致制件使用過(guò)程中的提前失效。同時(shí)，伴隨凝固行為產(chǎn)生的殘余應力集中問(wèn)題與制件尺寸精度和表面粗糙度有密切聯(lián)系。國內在這一領(lǐng)域有著(zhù)突出的研究，詳情請參考3D科學(xué)谷發(fā)布的《國內鋁基納米復合材料的3D打印制備方法舉例》以及《國內激光3D打印技術(shù)制造馬氏體模具鋼的進(jìn)展 》。
圖：激光3D打印熔池橫截面SEM，來(lái)源：南京航空航天大學(xué)
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(shí)際上主要有兩個(gè)檔次，更常見(jiàn)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用領(lǐng)域的結合是非常有幫助的。
圖：現有ASTM 關(guān)于鈦與鋁的標準，可適用于增材制造
由于每個(gè)設備供應商的系統操作起來(lái)都有自己的特點(diǎn)，而且Ti64的殘余應力是一個(gè)特別的問(wèn)題。所以生產(chǎn)Ti64零件的過(guò)程不是那么簡(jiǎn)單的設定好參數就可以完成的。值得注意的是，有許多不同的應力消除熱處理周期，每種周期將導致不同的機械性能。例如，雷尼紹在英國的醫療和牙科產(chǎn)品部門(mén)開(kāi)發(fā)了一個(gè)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(mén)學(xué)問(wèn)，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(guò)行業(yè)的嚴格驗證參數要求。Sintavia獨家的鋁合金加工工藝是一整套的體系，不僅包括預構建材料分析，還包括后期熱處理和壓力消除，從而能夠生產(chǎn)出高達125%的設計強度，精密度達100%。通過(guò)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(mǎn)足要求的鋁件。
本文未完待續，敬請期待3D科學(xué)谷即將發(fā)布的金屬3D打印/增材制造的現狀及國際標準（下）
參考資料：
-AMSC_Roadmap
-CN105718690A
-Sintavia Develops Exclusive Process for Printing F357 Aluminum
-The status quo of metal alloys for additive manufacturing
|
