金屬增材制造工藝流程中的工藝步驟

生產制造工具不是孤立運行的，它與上下游工藝緊密結合，只有當這種結合成功時，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、設備、行業和應用。本文介紹適用于大多數情況的工作流程，主要分為五個部分：設計、預處理、打印、后處理和質量保證。

設計

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

對于現有零件設計，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打印的商業價值取決于時間和生產成本的節省，而不是產品性能的提高。如果選擇現有的零件設計，金屬增材制造的價值實現時間通常較短。

對于全新的設計，設計要兼顧產品功能和可制造性。為3D打印而設計（或修改）的零件可提高產品性能，成為商業價值的潛在驅動力。每種金屬AM工藝都有自己的設計規則，這些規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構（"支撐"）設計。工程師們越來越多地采用生成設計和拓撲優化來為3D打印進行設計，市場上也出現了相應的新工具。

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文件轉換成打印機用來構建零件每一層的指令。這些指令通過切片創建，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（例如用于熔化金屬的功率）。一次構建可能有多個部件，在這種情況下，在構建板上有效地擺放部件是一個額外的步驟。

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

軟件預處理和參數開發完成后，就是設備的物理設置，包括：

1、裝載并對齊構建板或基板

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。大多數關鍵步驟概述如下。

1、將打印件連同構建板從設備中取出。

2、清除構建零件中多余的材料，如粉末。

3、檢查精度、潛在分層、表面質量、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、對于粘結劑工藝，須去粘結劑和燒結。將零件浸泡在溶液中長達數天，以去除金屬中的粘結材料。燒結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、添加關鍵特征并達到關鍵公差。可能需要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：粉末粘結劑工藝在去除粘結劑后需要使用。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）。

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構。

質量保證

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

金屬AM的質量保證是獨一無二的。與大多數傳統制造工藝不同，大多數金屬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量保證戰略。能夠直接測量和控制金屬沉積過程的工藝將更具優勢。
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工作流程。這些輕質薄壁部件需要經過多輪后處理和檢測才能投入使用。

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

來源： 洞察金屬增材制造