增材制造工艺的可变性

来源： 增材之光  

虽然增材制造（AM）历来被用于快速原型制造，该领域已经有了很大的进步，将增材制造用于制造和生产最终用途产品。为了用作制造解决方案，增材制造工艺必须为材料特性和几何尺寸产生可重复的结果。在定义诸如设计允许值，质量控制程序，可接受的废品率和作为生产方法的一般适用性等项目时，理解增材制造过程可重复的程度是一个关键因素。虽然有几项研究正在研究增材制造工艺的尺寸精度，但没有一项研究关注精度的多种技术。此外，很少有研究检验增材制造工艺的机械性能变化，大多数分析都是针对金属增材制造解决方案。该研究检查了增材制造过程的机械和尺寸变化，以确定聚合物溶液的制造准备情况。该研究旨在使性能表征标准化，以允许在过程之间进行直接比较，尽管材料和构建方法存在差异。为实现此目的，测试策略支持检测构建平台，构建之间，机器之间以及构建方向之间的差异。为简明起见，本报告将讨论限制为累积和机器间差异。

可变性和准确性
研究和分析增材制造工艺的机械性能和几何尺寸以及尺寸精度的可变性，以评估在生产中使用的准备情况。可变性可以表示为精度，这与精度不同（图1）。理想情况下，增材制造工艺在用于制造产品时既准确又精确。然而，精确（低可变性）但不准确的过程优于不精确但准确的过程。简单地说，精度可以产生可预测和可重复的结果，这些结果是控制制造过程和输出质量信心所必需的。因此，增材制造工艺必须表现出低可变性，以作为主流制造方法。在该研究中，通过变异系数（COV）和标准偏差（SD）量化可变性。

增材制造流程

有许多增材制造工艺和数量惊人的材料和机器组合。为本研究选择六种增材制造工艺和六种材料，选择标准包括流行度（它们在工业应用中的使用频率）和供应商对制造准备的要求。表1列出了本研究中分析的增材制造过程、机器和材料。

可变性：机械性能
对于材料属性，精度是衡量值与目标的接近程度的指标，这可能来源于数据表或之前的测试。精度是值的范围或偏差的度量，与精度无关。对于该调查，未评估增材制造材料之间的准确性和相对差异。相反，变异性（精度）作为衡量重复产生属性值的能力，是研究的重点。由于当基值显著不同时，标准偏差（SD）不能用作比较测量，因此该分析依赖于变异系数（COV）作为可以重复实现预期结果的置信度的指标。低变异系数表示高可预测性，然后在反复达到材料特性规格时提高了置信水平。例如，如果增材制造过程具有低变异系数但是不准确，则可以修改部件设计以适应偏移，或者可以调整处理参数以获得期望的结果。因此，与任何工艺一样，制造需要低变异系数，以确保从构建到机器和机器到机器的一致性能。该研究评估了变异系数的拉伸强度，拉伸模量和断裂伸长率（EAB）。为了进行详细分析，变异系数是从水平（XY）和垂直（ZX）方向构建的测试试样测量的。此外，对两台增材制造机器的COV进行了一致性调查。有关测试方法的其他详细信息，请参阅附录。总体图2显示了通过工艺和试样取向的拉伸强度，拉伸模量和断裂伸长率的变异系数。结果表明，FDM，MJF和SLA的强度和模量COV均低，均低于4.01％，构造方向之间仅略有差异。除MJF在XY方向的EAB外，FDM，MJF和SLA的EAB具有低至中等COV，范围从4.96％到14.12％。通常，EAB测试结果产生的变异性比拉伸强度和拉伸模量的变化更大，与制造工艺无关，因此这些结果符合预期。

假设可以从现有材料中获得所需的机械性能，低变异系数（COV）表明FDM、MJF和SLA最适合生产应用。SLS、CLIP和FFF的COV越高，可预测性就越低，这不利于生产。FFF具有很高的变异性，除了一种情况外，所有情况下最大的COV，在XY方向上，SLS的拉伸强度更高。图2还显示了两个方向的COV之间的FFF偏差非常大。然而，这一事实应该被忽略，因为ZX方向没有很好地支持，也不推荐用于FFF，因为无法稳定薄而高的结构。因此，只有一半的FFF ZX样本是在发现供应商的定位建议后构建的。如图2所示，除了一个实例外，CLIP和SLS的COV值优于FFF，但它们的值比FDM，MJF和SLA差。请注意，由于CLIP的构建区域，无法构建XY方向的优惠券。

这是3D打印顾问Todd Grimm的白皮书，尽管这是Stratasys委托研究的一部分。它将成为系列的一部分。