金属激光增材制造过程的数字模拟（航空部件的稳健金属增材制造工艺选择和开发）
金属激光增材制造过程的数字模拟（航空部件的稳健金属增材制造工艺选择和开发）3D打印的价值台阶金属增材制造的好处可以从两个方向来理解-一个是生产效益，另一个是综合效益。生产效益专注于制造过程，包括减少材料消耗，缩短交货时间，最小的模具成本，降低装配成本和自动化的影响。而综合效益是指在使用通过增材制造出来的产品的过程中，来自如减轻重量带来的燃油效益，更高的性能和可靠性，更长的寿命收益，更快的新产品推出，市场相应速度，减少库存以及更好的适应性和更具吸引力的产品附加值等等。原文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s11665-022-06850-0航空航天增材制造发展方向 © 3D科学谷白皮书3D打印-增材制造生命周期
尽管增材制造有许多优点，但在某些应用中它可能并不比传统制造好，应该针对每个零件和生产效率进行评估。某些增材制造合金的新颖性导致缺乏认证，这可能会阻碍选择3D打印技术，不过无论3D打印技术其潜在好处如何，更加系统化的工艺选择方法是必要的。
在过去的十年中，航空航天工业中的金属3D打印-增材制造 (AM) 用于开发和飞行应用变得越来越普遍。可用于铸造或锻造替换、维修或复杂组件构建的金属增材制造工艺非常广泛。
将AM-增材制造用于航空航天业的技术优势包括减少质量、复杂的几何形状（传统制造不可行）、增强的热传递、一体化结构件和新型高性能合金的使用。优势包括减少零件交货时间和成本、快速的设计故障修复周期、更快的上市时间、减少废料浪费、获得更低的买飞比。
本期谷.专栏结合将结合《Robust Metal Additive Manufacturing Process Selection and Development for Aerospace Components》这篇论文，解读航空航天零件金属3 D打印工艺选择的整体方法。
原文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s11665-022-06850-0
航空航天增材制造发展方向 © 3D科学谷白皮书
3D打印-增材制造生命周期
金属增材制造的好处可以从两个方向来理解-一个是生产效益，另一个是综合效益。生产效益专注于制造过程，包括减少材料消耗，缩短交货时间，最小的模具成本，降低装配成本和自动化的影响。而综合效益是指在使用通过增材制造出来的产品的过程中，来自如减轻重量带来的燃油效益，更高的性能和可靠性，更长的寿命收益，更快的新产品推出，市场相应速度，减少库存以及更好的适应性和更具吸引力的产品附加值等等。
3D打印的价值台阶
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而通常在谈到增材制造的时候，不论是制造业还是增材制造行业本身都容易过于关注生产效益，而忽略了综合效益。而增材制造的价值台阶：原型与模具，备品备件，复杂零件，创新产品，在不同的台阶中生产效益的价值或许相似，然而综合效益的价值却是随着台阶的升高而越来越大。
需要进行研究才能为零件选择最佳的增材制造工艺，并且首先要全面了解组件的整个生命周期。增材制造航空航天部件的迭代且高度集成的生命周期步骤是（1）设计和预处理，（2）构建过程（包括工艺参数和原料）（3）后处理 以及（4）在役零件和资格。每个产品生命周期步骤都会影响流程选择、所需步骤，并影响最终零件的性能。
3D打印的产品生命周期效益
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设计和预处理
设计步骤不仅包括典型的设计过程，还包括用于AM-增材制造和模型验证的设计（即模型检查和零件询问），以确保导出的模型与原始设计意图相匹配。
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仅在制造步骤之前，设计和预处理步骤就可能在增材制造生命周期中进行大量迭代。在设计中必须考虑3D打印-增材制造整个过程全生命周期中的所有后续步骤，并且可能包括用于夹具、加工基准、用于粉末去除的端口或用于精加工操作（如抛光）的尺寸。
整个AM-增材制造过程应该被概念化并包含在设计阶段，以最大限度地减少成本和迭代。
在这方面，此前，根据3D科学谷《3D打印用基板与机加工用夹具二合一，Fraunhofer推出突破性的数控加工后处理方案》一文，提到过通过3D打印-增材制造工艺，可以特别灵活地制造复杂且个性化的零件。基于粉末床的激光熔化技术，或简称为L-PBF越来越多地被用于制造发动机部件或医疗植入物。但是，目前生产效率很低，尤其是涉及到机加工后处理的时候。
工件的几何形状越复杂，在CNC数控加工设备上进行精确的定位和夹紧就越困难。CNC数控加工过程中，工件装夹方式通过确定工件原点来确定了工件坐标系，加工程序中的各运动轴代码控制刀具作相对位移。
为了简化L-PBF金属3D打印与CNC数控加工的衔接并提高加工精度，Fraunhofer弗劳恩霍夫IPT生产技术研究所的研究团队开发了一种用于3D打印过程中的基板和CNC数控加工过程中带定位基准的夹具，目前已申请专利。
3D打印结束后，可以在常规CNC数控设备上进一步加工工件，而无需通过诸如电火花线切割等机械工艺将其从基板上拆卸下来，然后再将其固定在夹紧系统上。
构建过程
AM-增材制造工艺通常具有不同的能源、输入参数和原料要求，这进一步打开了设计空间。这些工艺类别包括粉末床熔融 (PBF)、定向能量沉积 (DED) 和固态工艺，例如冷喷涂 (CS)、摩擦搅拌沉积 (AFS) -D) 和超声波增材制造 (UAM)等。
在《增材制造设计（DfAM)指南》这本书中，援引了AM零件质量影响因素的石川图，在石川图中详细的举出了影响加工质量的160多种因素，仅仅是激光扫描过程，就包括了扫描线长度，扫描线种类，外轮廓，内轮廓，扫描方式，扫描速度，光束矫正，收缩补偿，扫描线顺序，填充间距，填充方向，激光功率，（离）聚焦，表面填充参数，偏移等等。可见要通过人的经验来驾驭和平衡160多种影响加工质量的变量是非常难的。
根据3D科学谷，目前通过人工智能用于3D打印过程控制主要是聚焦于控制孔隙（密度）、局部缺陷、过程中产生的内应力、设计和尺寸精度、微观结构变化等。控制这些参数中的任何一个都是一项具有挑战性的任务，因为影响它们的变量数量是巨大的。不仅可控的工艺参数会影响结果，几何形状、材料类型、设计类型、零件形式和环境因素等其他因素也会影响结果。
当涉及到复杂航空零部件的3D打印-增材制造时，例如。包括复杂的（合金）成分，由超级合金制成的涡轮机的耐高温部件需要提供出色的机械强度、抗热蠕变变形、良好的表面稳定性以及抗腐蚀或抗氧化性。因此，高温合金部件的开发在很大程度上依赖于物理、化学，尤其是工艺创新。在这方面，通过数据集的方法和相应的质量控制方法则可以更好的做到这一点。在这方面，根据3D科学谷的市场研究，西门子为3D打印-增材制造提供数据集的方法和相应的质量控制方法申请了专利，探索了如何解决随时间可视化多重因素之间的复杂相关性的挑战，并且更重要的是，直接将相应的信息写入到3D打印部件的三维表示中。
在应用中，增材制造工艺已用于维修、涂层和自由成型零件制造，不过每种工艺都有独特的优势和局限性。尽管整个行业存在许多示例，但使用的主要工艺是激光粉末床熔融 (L-PBF)，其次是 DED（包括激光线材沉积 DED (LW-DED) 和激光粉末沉积 DED (LP-DED)）。
每种增材制造工艺的使用量都在迅速增加。增材制造工艺通常是相互补充的，可以相互结合使用，以最大限度地降低整体零件成本和性能。
各种金属增材制造工艺的特写以及沉积/构建方向
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后期处理
后处理对于确保每个零件都符合最终设计意图至关重要。通常涉及多个后处理步骤，包括粉末去除、构建板去除、热处理、机加工、检查、清洁、连接和表面抛光。适当的热处理可消除残余应力并改善其最终应用所需的材料性能。后处理步骤必须针对每个零件、材料和制造方法单独考虑。
根据增材制造创新设计发表的《金属增材制造技术在民用航空领域的应用与挑战》一文，增材制造零件性能高度依赖于后处理，包括热处理、去支撑、表面光整等。由于成形过程快速熔化和凝固以及热循环等特点使得组织结构复杂，存在各向异性，传统的热处理工艺制度不再完全适用；对于粉末床熔融成形复杂结构零件，工艺支撑去除手段有限，多采用钳工去除，存在零件变形及损坏风险，质量一致性难以保证；毛坯零件需要经过表面处理才能达到或接近零件最终使用要求，浅表层存在的微细裂纹限制了其在转动件或承力件上的使用。
内表面光整处理是粉末床熔融增材制造后处理技术的关键难点。现阶段主要的技术方法为电化学加工、磨粒流、磁力抛光等，对于简单流道可基本满足要求，但在复杂流道、盲孔、薄壁、变截面、复杂曲面等方面尚存在较大不足，容易出现去除量不均匀、流道破损等现象。
新型内腔光整技术和支撑去除技术是未来增材制造后处理技术发展的方向，进一步提高零件尺寸精度和表面粗糙度对提升零件综合性能可以起到关键作用。
认证
根据3D科学谷的市场观察，用于制造 3D 打印零部件必须全面、科学地回答材料完整性和质量一致性的问题。特别是对于飞行关键零部件，目前用于完成此任务的技术是计算机断层扫描，也就是众所周知的 CT 扫描。
3D科学谷《洞见 l 航空航天3D打印-增材制造零件的认证》一文分享过，在进行小批量制造之前，航空部件制造商必须通过在构建室内的不同位置和方向打印小型测试立方体来确定生产操作参数。然后对这些材料进行 CT 扫描，了解材料密度和一致性、尺寸精度等属性。发现缺陷的操作员可以调整激光功率和其他变量，打印多个测试样本以优化生产力和零件质量。
然后对较大的零件以及具有代表目标零件的复杂几何形状的零件重复此过程，并反复评估冷却通道、悬垂和各种壁厚等设计元素，直到金属制造过程具有可预测性。
测试是一项重大投资，往往超出设备本身的投资。任何金属 AM -增材制造零件供应商都应在生产时间、原材料、操作员培训以及 CT 扫描设备和软件的使用方面为测试提供足够的预算。当前任何新的 3D 打印技术都需要长达一年的工艺开发，然后对每台后续机器进行几个月的微调。
铝、钛、哈氏合金和 Inconel 高温合金被飞机制造商广泛接受，但当零件是通过 3D 打印制成时，预计会受到更严格的审查，尤其是还有可能使用新的合金，所有这些都需要在飞行使用前进行广泛严格的测试。
CT 扫描已被证明是鉴定这些材料和未来材料的重要工具。对于3D 打印支架、燃料喷嘴和涡轮部件而言，情况确实如此。并且制造商可以使用 CT 分析单个晶粒的高分辨率模型，该模型只有一两个微米。
将零件投入使用包括最终组装、测试、零件鉴定工作和生产计划。零件在役步骤需要知识渊博的工程师在增材制造生命周期的各个方面（设计、预处理、构建过程和后处理）进行详细集成，以满足零件要求。这可能涉及锁定流程之前的设计迭代，需要考虑优化流程选择和实现性能目标的机会。
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工艺选择的因素
增材制造工艺选择的因素分为四个主要领域：(1) 设计特征，(2) 工艺输入，(3) 工艺限制和考虑因素，以及 (4) 冶金和几何考虑因素。
设计特征包括合金选择、整体零件尺寸和特征分辨率。过程输入包括原材料的类型和属性（化学、粒度分布、线径等）和详细参数。
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工艺限制和考虑因素包括单合金或多合金的使用、工艺经济性、工艺可用性和工业成熟度。零件的几何设计和冶金方面的考虑包括后处理（包括配合法兰的机加工、抛光等）和导致最终性能的冶金特性，工艺选择的最常见依据是组件的复杂性和规模。
设计特点
在过去 6 年中，增材制造工艺的构建量大幅增加，一些工艺现在能够构建高达 9 米高和 5 米直径的体积。不过仅为构建体积选择的工艺不能保证满足最终零件的性能、特征分辨率或材料特性的要求。
材料的考虑是关键的，通过材料来考虑选择什么样的增材制造工艺，航空航天增材制造金属包括铝合金、不锈钢、钛合金、镍基和铁基高温合金、铜合金和难熔合金等等。
合金选择通常被认为是工艺选择的初始输入考虑因素，缩小潜在原料范围并开始分析工艺可用性。并非所有合金都可用于该工艺，并且合金性能会有所不同。
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每种增材制造工艺的特征分辨率都有范围，并且高度依赖于原料、机器硬件配置和工艺参数。值得注意的是并非所有 AM-增材制造工艺都是为最高特征分辨率而设计的，许多工艺旨在提供高沉积速率作为锻造或铸造替代品，并减少总体建造成本。
工艺输入
设计师还必须考虑金属3D打印-增材制造的供应链，特别是起始原料和增材制造加工机器。无论成分、形式或新颖性如何，原料的交付周期都可能很长，在评估整个供应链时必须加以考虑。
粉末原料要求取决于增材制造工艺，并且必须根据化学成分和粒度分布 (PSD) 进行控制，以确保流动性和铺展性。其他原料，如线材、棒材或箔材，对于普通合金来说可能很容易获得，但对于定制合金，可能需要更长的交货时间或更高的成本。
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大多数AM-增材制造过程允许多合金加工，尽管迄今为止，多合金 AM增材制造组件的冶金特性用于航空航天飞行应用中的实施还是很有限的。可以针对质量、热、结构或其他设计特征对使用多种合金的构建进行优化。
过程限制和注意事项
由于增加的构建时间、构建功能或必要的后处理操作，复杂性会带来许多隐性成本。此外，可检查性通常会随着复杂性的增加而降低。复杂性给后处理操作带来了挑战，例如除粉、加工、抛光和检查，应在整个生命周期内进行评估。随着沉积速率的增加，成本会降低，但特征分辨率也会降低。
AM-增材制造流程之间的成本交易必须包括竣工复杂性和所需的后处理步骤。例如，接近最终形状的零件可能会以高沉积率快速构建，但由于库存过多，需要额外的加工时间。
最常用的金属增材制造工艺是 L-PBF，相比之下冷喷涂的生产工艺有限，但随着新机器制造商的出现，市场正在增长。与少数机器供应商的许多其他工艺相比，AFS-D 和 UAM 的开发较少，但所有工艺的研究和工业化正在迅速成熟。
由于早期的行业采用、飞行应用的标准开发以及新材料的开发和表征，一些增材制造工艺比其他工艺更成熟，从而提高了技术准备水平 (TRL)。
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对于硬件认证，必须控制工艺参数并证明其是一致的和可重复的，这与工业成熟度有关。
冶金和几何考虑
材料特性高度依赖于原料、工艺本身以及热处理等后处理方法。金属加工的变化将对微观结构和材料性能产生重大影响。根据材料的状态、加热和冷却速率或构建操作期间的冷加工，每个过程都会产生不同的微观结构。随着金属增材制造工艺成熟并被用于航空航天部件，必须进一步了解微观结构对工艺参数、原料和机器硬件的响应。
必须充分了解和锁定构建参数和原料，并在整个热处理和后处理的演变过程中评估微观结构。对增材制造工艺对材料微结构和性能的影响因素的深入了解，有利于支持材料性能优化和增材制造零件航空航天认证方法的改进。
不同金属增材制造工艺的 Inconel 625 的完工微观结构
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总结
工艺输入、工艺控制和工艺的可重复性以及材料的冶金特性是一个永远在路上的研究话题，即使增材制造在航空航天应用中迅速成熟和工业化，每个零部件的加工仍然具有独特的经验教训，以及通往认证和生产的正确途径。
最终，控制零部件的性能需要仔细关注产品制造过程生命周期的每个步骤，以生产满足冶金特性和性能、几何公差和设计意图的零件，并以负担得起的方式获得零件的认证。而最终，航空零件逐步迈过从原型设计到小批量再到量产规模的门槛，在这方面，还需要将工艺流程链、生产线的衔接等等更多因素考虑进来。
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