EOS 關於增材製造性能及其穩定性的研究

2021-01-10 江蘇雷射產業創新聯盟

增材製造已在各個追求高質量和可重複性的行業中佔據一席之地。醫療和航空航天行業已經開始擁抱增材製造，不僅因為它能夠實現高複雜度、高強度和輕量化設計，而且列印的零部件符合監管機構規定的質量標準。尤其醫療行業非常重視增材製造實現定製化生產的能力，同時質量和可重複性也是至關重要的因素。

作為醫療和航空航天行業的全球服務領導者， C＆A Tool 證明了增材製造與傳統製造的鈦合金產品性能相當，也通過這一過程理解了接受一項新的製造工藝中的障礙。

挑戰

目前，對增材製造產品質量認識的缺乏仍然是投資的最大障礙之一，對於增材製造技術的不確定性超過了該技術所帶來的好處，特別是在有嚴格監管要求的行業。因此，增材製造企業有責任強調該技術的真正價值，證明零部件的質量和可重複性能夠經得起傳統製造標準所遵循的質量要求。使用金屬增材製造系統（EOS M290），C＆A Tool 創建了這份驗證報告，以證明SLM技術可以達到甚至超過傳統的行業標準。

認證參考/使用程序

使用良好的生產規範（GMP）質量控制要求和ASTM測試方法，C＆A Tool 創建了這份研究報告，以使用關鍵的質量變量（如雷射功率）來挑戰增材製造過程。目標是證明SLM工藝符合適用於鈦合金（ASTM F3001）的力學性能測試和零件密度的 ASTM 材料驗收標準。表1和表2列出了本研究中使用的標準程序和 C＆A Tool 操作說明。

方法

在開始質量研究報告之前，C＆A Tool 創建了因果關係（C＆E）研究，以使用實驗設計確定過程中的最壞情況變量。該初步研究將雷射功率、熱處理溫度和熱處理時間、方向、位置、曝光策略和層厚度視為質量（CtQ）變量的潛在關鍵因素。

CtQ變量矩陣

EOS參數包括雷射功率，層厚度和掃描策略之類的可變量。EOS的這些參數變量可以通過EOSPRINT軟體來改變；但是，這些參數在生產過程中必須固定。類似地，曝光策略由程序控制傳輸到列印系統中。如果改變曝光策略，層厚度或參數組，則可能需要重新認證。

雷射功率由每個程序的曝光策略內的參數控制。在這項研究中，雷射功率在列印期間受到監控，當瞬時雷射功率低於370瓦標稱設置的4％（355W）時觸發警告。如果瞬時雷射功率記錄在5.5％（350W）以下，監控設備也會觸發警告。

層厚由程序發送至系統來進行控制。在所有參數中，層厚設定為0.06mm。如果厚度從本研究報告中的0.06mm 設置更改，則需要重新認證或證明。

在此協議期間，將設置熱處理並且挑戰極端情況。在這種情況下，如果改變，則需要進行重新認證或證明。

位置/方向也是影響因素，在該研究報告中，基板所有區域都存在位置或方向的挑戰。

圖1. 在加工平臺上測試位置和方向

質量協議

對C＆E研究的結果進行了審查，並確定了最壞的案例變量：雷射功率、熱處理溫度、熱處理時間

圖2. 在加工平臺上測試位置和方向

在兩臺EOS M290上進行四個列印任務，在圖1中詳細描述了工件狀態。每個列印任務包括了拉伸測試條和密度立方體，以捕獲潛在的變化源，包括列印任務位置和方向（圖1）。在C＆E研究中最壞案例變量-雷射功率、熱處理溫度和熱處理時間的變量在四個構建作業中是不同的。層厚、材料、曝光策略和機加工在整個方案中保持不變。

所有列印任務均使用一個參數矩陣，其中包括：雷射功率、層厚、材料、位置/方向、曝光策略、熱處理時間和熱處理溫度。

驗收標準

所有列印任務都按照以下規範進行測試和評估：

機械性能：ASTM F3001

化學性質：ASTM F3001

緻密性：ISO3369

除驗收標準外，表3還詳細列出了所有構建作業的平均測試結果，顯示它們符合每種機械性能的標準驗收標準。

結果及討論

圖3詳細說明了增材製造的拉伸試條的拉伸強度，屈服強度等。研究清楚地表明，增材制在工藝超出了醫療和航空航天業界公認的所有適用的力學性能的相關標準。

C&A Tool 總經理介紹，「這些OQ測試已成為我們業務的重要組成部分。我們的研究結果顯示了我們一直都知道的事實：AM 生產的零部件不再受限於傳統製造和設計的限制，同時還能生產高質量，可重複的零部件。」

圖3：與相關標準相比，所有的機械測試結果

近年來，增材製造愈發受到關注。在該研究中控制列印位置，結果顯示在下面的圖4中。數據表明，在EOS M290設備上使用60微米層厚和前面描述的雷射功率變化的參數生產的零部件，其機械強度特性不會根據構建位置而顯著變化（象限左上，右上，左下，右下和中間）。

圖4：基於列印平臺上的樣本位置報告的機械特性

與一致性機械測試結果類似，密度測量不會因系統構建位置變化而異。

圖5：基於列印平臺上樣本的位置報告的密度測量

另一個關鍵變量是列印平臺上的零部件方向。下面的圖6表明水平和垂直列印的試樣之間的機械性能沒有顯著差異（ASTM E8）。

圖6：基於列印平臺上不同方向報告的力學性能

結論

該研究對雷射功率、列印位置、列印方向和熱處理溫度這些關鍵變量進行了測試。結果表明，增材製造可以達到甚至超過相關行業標準，並且零部件緻密度在整個平臺上也不會變化。

質量驗證報告將繼續推動增材製造的廣泛應用，特別是在醫療、航空航天和汽車等受嚴格監管的行業。因此，增材製造企業必須繼續進行類似於C＆A Tool 完成的QP測試。測試結果會鼓勵增材製造業接收懷疑論者的質疑，利用這些強有力的數據來展示EOS解決方案的價值，以生產最高質量的零部件。

雷射天地轉載自：eos 3D列印技術參考

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