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        量產中應用的3D打印技術需經歷哪些認證“關卡”?

        來源:太原市奧藍電子科技有限公司 時間:2020-03-24 09:49:43 瀏覽量:
        增材制造產業化的“必修課”

         認證與資質

              認證(certification)是指零部件符合設計意圖,并且也適合在機械系統中的使用。例如,某個零部件可能滿足其設計者指定的所有設計標準,然而這并不意味著按照該設計進行生產的零部件,在裝配到機械中以后每個都能夠正常運轉。無論是航空航天,醫療,石油和天然氣,還是其他監管程度較低的制造行業,總會存在一定程度的要求。獨立的認證機構將審查制造商所提供的數據,并證明該制造商所生產的零部件是否適合在飛機,汽車或其他機械中使用。

              資質(qualification)涉及到支持制造商獲得零部件認證的關鍵過程,其中不僅包括進行零部件3D打印所需的設備、材料以及工藝,還包括整個增材制造過程。

         零部件認證的“五大支柱”

              零部件認證可以借助約翰·W·“杰克”·林肯提出的飛機結構完整性一般原則“五大支柱” 進行概括。

         

        ▲約翰·W·“杰克”·林肯提出的“五大支柱”

        來源:Barnes Group of Advisors

              第一個支柱-要求和設計標準(Requirements & Design Criteria )。零部件的設計可能美觀大方,但是如果裝配在機械中不能滿足既定的性能要求,則沒有任何意義,也就是說如果一個零部件無法完成它的“本職工作”,則不會獲得認證。

              第二個支柱-可生產性Producibility)。這是個關鍵階段,具有可生產性意味著,在不產生過多報廢和返工的情況下,進行零件的制造。與可生產性密切相關的是第四個支柱-穩定性,穩健性和可重復性Stability, Robustness, and Repeatability),這實質上意味著生產中的每個零件都符合用于初始認證的零件所展示的要求。

              第三和第五個支柱是零件的特性(Characterized Properties)和性能的可預測性Predictability of Performance),這意味著材料特性和材料與工藝參數之間的關系已得到很好的理解,設計人員可以放心地使用性能數據來設計零部件。

         增材制造零件認證中的挑戰

              在傳統的制造工藝中,材料與工藝之間的關系是眾所周知的,數據已經存在了很多年,而且零件已經使用了很長時間。因此,對這些過程的信心很高。而增材制造不如傳統工藝成熟,針對增材制造零件認證,需要更多的數據來支持“五大支柱”中所概括的內容。

              增材制造與傳統制造在零件認證方面存在不同點,傳統制造的零件認證經常使用統計機械特性(即A,B和S基允許值)來支持性能的可預測性。

        已有很多制造商在進行金屬3D打印零件的認證,這是證明某種零件是適合某種機械系統使用的一個途徑。但就整個增材制造領域而言,目標是朝著獲得整個增材制造過程資質的方向發展,也就是具有資質的增材制造過程被認為是穩定、 穩健的、可預測的,通過增材制造過程能夠制造多種獲得認證的3D打印零件或零件家族。

         增材制造設備商能為認證做什么?

         

              在零部件認證“五大支柱”中,首先與增材制造設備制造商相關的是第二個支柱-可生產性。

              雖然說3D打印技術對于產品的復雜性不敏感,能夠制造傳統工藝所不能實現的復雜結構,但各種不同3D打印技術也存在著對于設計的限制,3D打印技術也不是萬能的。以選區激光熔化金屬3D打印工藝為例,該工藝中存在一個“45度規則”,在設計時需要盡量設計大于45度角的結構,從而最少化零件支撐結構的使用。

              不過隨著設備和面向增材制造的設計技術的發展,選區激光熔化3D打印技術的可生產性得到了擴展,比如說VELO 3D的智能熔化金屬3D打印系統,可以在不需要支撐的情況下打印角度低至10度的零件特征。這些變化將對制造實際可以生產的3D打印零件產生積極的影響。

              在應對認證的第三支柱-零件的特性方面,VELO 3D 與 Barnes Group Advisors合作開展了相關研究。以下圖表顯示了他們對Inconel 718 材料3D打印、鑄件和鍛造材料之間所做的比較。除此之外,他們還研究了統計機械特征,或整個數據集中機械概率的穩定性。

         

        ▲對Inconel 718 材料的研究

        來源:Barnes Group of Advisors

              他們查看了來自五臺不同3D打印設備的數據,這些設備打印了兩個激光路徑,總共有10條不同的激光路徑和大約100個樣本,并檢查了統計數據存在的變化。在這項研究的抽樣零件中,有99.7%處于屈服強度、極限抗拉強度和延伸百分比的指定水平內。

              穩定性,穩健性和可重復性是零件認證的第四個支柱。對于用于生產的金屬3D打印技術而言,保證同樣一個設計在下一次打印時能夠獲得同樣的質量,即質量的可重復性,是非常關鍵的。

              通常3D打印設備會每三到六個月由現場服務工程師進行一次校準,但在兩次校準之間,設備處于什么狀態是難以確定的。VELO 3D 計劃實現設備的原位校準,即在每次打印之前通過“單擊操作界面”進行校準,以此來保證打印時設備處于良好狀態。

              認證的第五個支柱是性能的可預測性。VELO 3D 對這一點的應對策略是,通過軟件實現實時的打印質量監控,如實時計量與零件孔隙率相關的因素,孔隙率是引起金屬3D打印零件缺陷和不良機械性能的主要原因之一。根據3D科學谷的市場觀察,VELO 3D 開發了Assure 質量保證和控制系統,作用是確保提供批量生產所需的零件質量,該系統可以檢測過程異常,對其進行標記,并顯示所需的糾正措施,從而避免重復出現錯誤。

              增材制造技術在設備、工藝以及質量監控方面的發展,將使制造用戶的零件認證道路更加順暢。無論是哪一種用于生產的工業級3D打印設備,具有穩定性、可控性、可重復的打印過程,對于支持其制造用戶獲得3D打印零部件認證都非常關鍵的。

         

        ▲獲得認證的四個關鍵因素:制造設施、打印設備/工藝、零件,批量驗收。

        來源:Barnes Group of Advisors

              除了硬件之外,3D打印零件獲得任何行業認證的過程都可以歸結為數據。最困難的事情是首次使用新工藝對零件進行認證,然而一旦有了已知的數據池,并且有了一個已知的過程,資格和認證過程就會快得多。

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