增材制造技术：如何提高产品质量的一致性和可靠性

3D打印技术属于快速原型制造技术中的一种，是以数字化模型文件为基础，利用工程塑料、金属粉末等材料的可粘合特性，通过层层打印的方式来制造物体的快速成型技术。该技术是集CAD/CAM技术、数控技术、激光加工技术和新材料等技术领域的最新成果于一体的零件原型制造技术；属于一种新型加工工艺，与传统“减材制造”的机械加工方法不同，其采用逐层“材料累积”的创新加工方法，能够快速精确的将三维模型图转化为三维实体。

该技术能够大大简化产品的制造程序，缩短产品研发周期，提高研发效率同时降低成本，一度被认为是近二十年制造领域内的一个重大技术成果。本文主要基于一种利用激光烧结的金属粉末床熔合工艺，概述了一些必须实施的基本步骤，以确保产品/部件能够可靠地符合相关规范要求。

前期需要注意的事项
在激光熔化过程中可能存在150多个变量，因此，为了保证打印产品质量的一致性和可靠性，非常重要的一个方面就是检查这些可能存在的变量并考虑到最易控制的一些变量。

变量的来源包括但不限于：
设备的光学部件机器所使用的成型材料；
打印零部件的位置、方向；
打印环境等。

以下是您在整个成型过程中的不同阶段应该考虑到的一些因素。推荐的最佳做法是保存一份清单以记录所有可能的潜在问题。

1原料
原材料（金属粉末）对成型的成功与否以及最终打印部件的质量具有重大影响。设备操作员需要确保所使用的原材料性能能够满足增材制造工艺的相关要求，例如材料的粒度分布，密度，化学成分和流动性等。

零部件制造商通常从打印机原始设备制造商处购买金属粉末，因为只有这样，零部件制造商和设备厂商才能建立更好的维修/维护合作关系。但一些金属打印粉末也可以从第三方供应商处购买以减少部分经济成本。

如果您更愿意与第三方粉末供应商合作，请确保在出现操作事故时机器保修不会被设备厂商单方面宣布无效（因为有些打印机设备厂商要求用户只能使用由他们提供的打印材料，否则一旦设备出现任何故障，则全部责任由用户承担，设备厂商不再提供免费维修服务，即使设备仍在保修期内）。

因此，在使用任何第三方材料之前，请咨询并获得设备制造商的批准。他们将帮助您确定第三方打印粉末材料是否符合机器的要求并具有增材制造工艺所需的特性。

一旦你收到材料，请务必审查并记录打印材料的细节信息，例如合金名称，材料供应商，材料一致性/分析证书或相关的测试报告等。详细记录整个成型过程中的细节信息将帮助您提高整个流程的一致性


2粉末材料的存储和处理
一旦从供应商处接收到金属打印粉末材料，需要妥善处理和储存。正确的处理包括记录粉末的名称，批次等重要信息，然后将粉末储存在湿度适宜并可控的条件下，值得一提的是，最好将粉末保存在其原始容器中。

你还应该记录原始盛装容器打开的日期。准确的记录这些信息并妥善保存在整个过程中至关重要，因为它有助于确保材料信息具有高度的可追溯性。粉末应在干净无潮的环境中处理，以避免污染和意外吸收氧气和氢气等杂质气体。

在处理粉末时请遵守所有的安全要求，因为它不仅会对操作人员造成伤害，而且还可能会造成由于超细颗粒引起颗粒云而引发爆炸的情况。材料安全资料表（SDS）是一份为每种粉末材料提供详细安全处理要求的文档，对于任何可能涉及到危险操作的工作人员来说，都是一个不错的参考标准。

3原材料的特性表征
对于原材料的性能特征，请仔细参阅供应商提供的材料资料表，因为它提供了厂商供应粉末特性的详细信息，例如其包括了原材料的一些基本物理特性以及测试条件等。但是，供应商提供的信息可能并不全面，因此您必须在设备使用粉末之前进行粉末特性表征并记录表征结果。

原材料的性能表征将帮助您进一步了解到材料的化学和物理特性，然后将其与制造零件的特性进行比较。将此操作作为您整个流程中的一部分将有助于您有效评估任何工艺特性对打印零部件的影响。

材料的表征主要包括化学分析、确定粉末粒度分布、粉末形态、密度分析和流动特性等。此外，粉末原材料还需要用筛子过滤以去除任何可能存在的附聚物和杂质。在筛分之前，需要确保筛网已根据材料的颗粒大小进行合格的校正，以确保对材料进行适当的筛选。


4符合要求的打印机
对打印设备进行安装验证有助于确保该工艺设备符合适当的规范要求和打印零部件的设计意图。为了使您的设备符合要求，您需要确保设备不仅符合制造商的使用要求，而且还要确保设备的使用环境已按照以下所述进行了适当的准备。

设备准备
设备的干净整洁是非常重要的，因为残留的杂质可能会粘在机器上并污染打印过程，从而影响后续生产。另外，设备中存在的水分同样会对产品的性能产生不利影响，例如会降低打印零部件的拉伸强度等。确保设备清洁、干燥对于最终打印部件的质量是至关重要的。

选择打印基板
根据打印零部件的厚度选择合适厚度的打印基板，以避免翘曲。您还需要检查基板是否在之前的打印过程中出现的翘曲或畸形现象。请务必确定打印基板是干净、光滑的。如果是的话，你就可以准备进行下一步了，即在打印平台上安装该打印基板。最后，您需要做的是记录打印基板的尺寸及其表面状况等信息。

动力供应
检查并确保您有足够的气体来完成整个打印过程，在打印过程中耗尽气体会对最终打印部件产生不利影响。接下来，通过正确设置压力表，以及适当调整打印基板温度和打印室环境温度，来检查打印室内惰性气体的流动状况。

最后检查
检查涂敷器。如果涂敷器刀片损坏，则粉末会以不均匀的方式不规则地散布开。可以通过将粉末撒开以检查它是否均匀铺展在平台上进行检查，这个练习必须重复几次，以确保粉末能够正确覆盖。接下来，检查氧传感器以确定它是否正常工作，然后检查您的机器和控制软件之间的所有其他接口是否接触良好。

最后，检查粉末储仓以确保您有足够的粉末来完成整个打印过程。如果不这样做，设备可能会中途突然停下来，最终得到一个不完整的打印零部件。除此之外，请做好设备维护记录，校准记录和预防性维护计划等，并妥善保存供以后查阅参考。

最佳做法
对于整个流程而言，最佳的做法是制定并遵循一个完整、全面的程序，您可以识别在该过程中每个阶段可能出现的风险。在实际操作中记录这些遇到的风险并制定相应的缓解计划。了解不同加工步骤的变化以及这些变化是如何影响零件的质量。这些对于优化整个流程至关重要，并有助于确保在整个打印成型过程中尽可能的减少不必要的错误和误差。

来源：《理化检验-物理分册》微信公众号