利用增材制造技术制造高质量金属零部件

与所有的制造工艺一样，增材制造技术也包括一些变化因素，其中之一就是粉末材料的化学性质。航空航天工业现在正越来越多地采用金属增材制造技术（俗称3D打印）来制备飞机上的安全关键零件和一些非关键性飞行零件。使用该方法能得到更短的开发周期，更快的产品市场投放，此外，该方法还有助于实现一些早期难以实现的设计意图。

与其他3D打印方法类似，金属增材制造技术，特别是选择激光熔融技术（SLM）和电子束熔化技术（EBM），可以通过沉积的形式，利用激光或其他热源将金属粉末熔化进而逐层构建零部件。
如何制造出更好的零件
3D打印粉末的物理性质是一个重要的影响因素。扫描电子显微镜（SEM）可以有效揭示粉末的形状和表面形态。

生产高质量的3D打印金属零部件需要了解用于制造零部件的粉末特性，并分析零件本身的强度和化学性质。与值得信赖的独立测试实验室合作，可以让您更加深入的了解到整个3D打印过程——从粉末表征到确定最佳测试，进而更好的制备出符合航空航天工业要求的零件。

增材制造技术的优势
与其他一些加工方法相比，增材制造技术可用于零件的快速原型制作，以及作为一种更快、更经济的方法来创建零件模具和模型等。其最大的优势之一就是制作外形高度复杂的零件。

在过去，复杂的零件需要同时采用几种不同的加工操作，或者使用多个零部件组装而成。通过金属增材制造技术，可以制造单个部件来替换传统的采用焊接或紧固系统组合的多个部件。这不仅使制造速度更快，成本更低，产品规格更一致，而且制造出的无缝零部件性能更好且不合格品更少。

标准和认证
由于金属增材制造技术在航空航天工业内仍然属于一种相对较新的技术，相关标准和认证仍在开发过程中。人们对传统技术（如铸造和锻造）制备的金属零件已经进行了多年的研究并开发出了可用于航空航天应用的数据库，然而，3D打印技术制备的零部件需要进行新的研究和验证，以便于在技术角度和商业角度方向了解该新技术制造的零件会如何对飞行条件做出反应。

在美国，利用增材制造生产的飞机零部件必须由联邦航空管理局（FAA）单独认证。由于此过程包括了特定3D打印机和粉末成分的要求，因此制造商很难转向大规模生产。然而，随着更多标准的建立，航空航天工业将更容易在大规模生产上采用3D金属打印技术。

一些标准已经开始陆续发布，更多的将在未来一到两年内完成：例如，美国国家航空航天局最近公布了马歇尔太空飞行中心（MSFC）技术标准，该标准为将激光粉末床熔融技术制造高度可靠性航空航天零部件提供了参考框架。SAE国际增材制造委员会AC7101正在开发用于增材制造技术的航空材料的工艺规范，其中一些将在今年发布。SAE制定的这项规范最终将涵盖前体材料，化学性质，增材制造工艺过程，系统要求，后期材料，预处理和后处理工艺，无损检测和质量保证等。

去年，ASTM委员会F42就增材制造技术相关问题发布了15项新的提议标准，这些标准将帮助参与增材制造技术的公司更好的遵守国家航空航天和国防承包商认证计划（Nadcap）中制定的认证清单，这是一项主要由航空航天和国防工业公司开展的合作计划。

随着一些标准变得越来越强大，打印工艺和机器变得更加先进，我们可以预期增材制造技术将在更多的领域内取得广泛的应用。

尽管在拉伸实验中有时会看到微裂纹，但这并不是很常见的。

为什么要使用商业测试实验室？
随着标准和认证的不断变化，使用金属增材制造技术的独立商业测试实验室将非常有帮助。例如，独立测试实验室可以提供FAA验证所需的全面测试文档，以便可以始终以符合规格的方式制造零部件。

独立测试实验室拥有各种各样的测试设备和技术专长，不仅可以运行专门的设备和仪器，还可以开发测试方法和解释测试结果，此外，使用独立的测试实验室还可以避免购买和学习如何使用昂贵的测试设备，因为这些设备在标准成熟后可能并不会有太大用处。

和独立的测试实验室合作，及时了解适合金属增材制造技术的最佳测试方法，并积极参与制定标准有助于您确定可用于内部测试的正确类型设备然后通过相关性研究为您提供技术支持，以确保您的内部测试结果更加准确，稳定。

优质粉料制造优质零部件
与每个制造工艺一样，增材制造技术也包括一些变化的影响因素。测试则可以帮助识别和量化原材料、3D打印机和所使用的确切工艺的变化将如何影响最终打印成品。了解流程变化的来源以及哪些来源最为关键，可以实施控制措施以最大限度地减少这些变化。

变化的其中一个来源是粉末的化学性质。每个粉末供应商都可以通过多种方式改进其粉末，这使得了解粉末化学和性质变得非常重要，这样可以相应地调整3D打印机的功率要求和打印速度。分析粉末中的主要元素以及气体和微量元素的含量非常重要，因为微量元素在金属固化过程中起着关键作用。随着更多内部研究和开发的进行，服务提供商开始更加深入的了解粉末化学和特性，并将其与3D打印机类型和加工参数关联起来，这些关联将有助于打印出一些特定的产品。

除了化学性质，粉末的物理性质则是另一个重要的考虑因素。扫描电子显微镜（SEM）可以揭示粉末颗粒形状和表明形态。流动性能好，粒度分布窄，尺寸均匀，化学纯度高和氧含量低的金属粉末往往可以制备出更高质量的金属零部件。

粉末再利用在增材制造中也是非常常见的，因为金属粉末一般非常昂贵并且在3D打印期间仅有一部分熔化。但是，当粉末被重复使用时，化学物质又会发生变化：例如一些颗粒会被氧化，此外，在激光烧结过程中分裂的一些小粉末颗粒会聚集在一起，形成粉末小团。因此，分析粉末特性以了解粉末是否可以重复利用以及可以重复使用多少次或者是否需要调整加工参数是非常重要的。有时修改原生粉末的化学成分可以改善重复使用的粉末的性质。除此之外，还应检查利用重复使用的粉末制成的零件的相关性能，以确定其强度或其他机械性能是否与原始粉末打印的产品有所不同。这个过程也许非常耗费时间，但却可以产生巨大的好处：例如，能够极大的提高原材料的使用率，进而降低材料的成本等。

打印零部件的测试
使用3D金属打印的制造商在打印零件之前必须确保其所使用的打印机器是合格的。这包括向认证机构证明使用该机器制造的部件的材料强度在不同批次之间是一致的，并且对于制造件上的不同位置处的材料强度也是相同的。例如，如果正在打印一个盒子，那么角落和盒子的中心都必须具有相同的材料强度。这种类型的分析可以对打印部件上不同位置的材料进行测试（例如试拉伸试）来验证3D打印部件的机械强度。另一个考虑因素是最终部件的特性必须是是各向异性的。由于3D打印成型主要依靠的是材料分层沉积的方式，因此当在不同方向上测量时，这些部件的某些物理特性可能会有所差距。这使得在各种不同的打印方向上对强度进行测试也变得很重要。

还有一个重要因素值得注意，尤其是在航空航天和其他一些关键工业应用中，也即有时在金属沉积过程中会形成一些微裂纹。这些小裂缝在零部件的表面上可能会发展成一个非常重要的问题，这些表面也许会经历诸如着陆和起飞之类的压力。这个压力可以在裂缝处倍增五倍形成应力集中效应，进而影响零部件的正常使用。在材料规格内调整粉末的化学成分有助于防止微裂纹的产生。

随着相关标准和认证的不断变化，和独立的商业测试实验室合作，金属增材制造技术将是非常有用的。

虽然拉伸试验的结果有时会出现微裂纹，但它们并不总是出现。对沉积式的打印部件进行显微分析可以有效观察到其中的裂缝，进而评估孔隙率和其他弱点来源：例如，当金属颗粒熔化在一起时形成的孔隙等。金属3D打印部件的微观结构与使用传统减法制造方法制造的部件（采用相同材料）不同，因此咨询合格的独立测试实验室，并了解一些寻找微观结构缺陷的专业知识是非常重要的。

对于航空航天工业中的金属增材制造来说，这是一个激动人心且快速变化的技术。与值得信赖的独立测试实验室合作，可帮助您了解不断变化的标准，并帮助您了解如何优化粉末特性和加工参数，以生产出质量更高的3D打印零部件。

来源：qualitymag