全方位填補增材製造標準空白！ASTM 又開展8個標準研究新項目
2020-09-18 3D科學谷標準在推動增材製造技術的增長和發展中發揮了重要作用。全球標準開發展組織ASTM 國際近日宣布了在增材製造標準研究方面的所開展八個新項目，推動技術標準與快速發展的增材製造技術保持一致。
這八個項目涉及到ASTM 增材製造卓越中心(AM CoE)的高優先級標準化研究領域，包括設計、數據、建模，原料、過程、後處理、測試和鑑定。每個項目都將填補由ANSI / America Makes發布的AMSC（增材製造標準化協作）路線圖中列出的一個或多個標準化空白。
集成點陣夾芯結構的薄壁整體葉盤。來源：Fraunhofer
填補多個標準空白
評估金屬增材製造點陣結構
奧本大學將開發一種標準試樣設計，用於評估壓縮載荷下金屬增材製造中的點陣結構。3D列印點陣結構在骨科植入物、結構減重等領域具有應用潛能，這項工作將提高金屬3D列印點陣結構的可靠性。
l 挑戰
點陣結構的性能通常是相對密度、固體成分和晶胞結構的函數。設計、晶胞的數量以及它們相對於載荷方向的方向會影響到點陣結構的機械性能。晶胞大小和密集的晶胞也是關鍵因素，控制晶胞大小取決於調整其支柱和連接節點的厚度和長度，高重複密度意味著一個單位面積內有更多重複的胞元，從而形成複雜的較小晶格。
另外，晶胞表面光潔度和後處理對點陣結構的機械性能具有更大的影響。在許多骨科植入物應用中，點陣結構處於壓縮載荷下，但是目前尚無標準可用於指定點陣晶格結構樣品的整體幾何形狀、單位晶胞大小、數量、方向，晶胞表面光潔度等。因此，有必要制定一種標準的點陣設計，列出適當的可用標準以及如何進行抗壓測試的指南。
l 受影響的標準化空白
D15：測試試樣的設計（低優先級）
D16：驗證功能漸變材料（低優先級）
FMP1：材料屬性（高優先級）
l 解決方案
將開發用於準靜態壓縮測試的圓柱和立方樣品的標準設計，用於對粉末床雷射熔化3D列印技術生產的點陣結構進行壓縮測試。該標準還將包括有關進行機械測試之前樣品製備和其他考慮因素的信息。該工作將參考ASTM E9進行準靜態壓縮測試，並指出必須進行的任何更改或考慮。
通用數據交換格式
應用技術開發商EWI將開發一種用於粉末表徵的通用數據交換格式（CDEF）。這一標準將通過充當不同數據管理系統之間的連結，使得整個增材製造供應鏈實現有效的數據共享。
l 挑戰
數據共享對於開發強大的增材製造數據生態系統至關重要。增材製造是一種數位化製造技術，數據貫穿於增材製造過程的始終，從初始的零件設計，到零件製造，再到後處理和檢測，整個過程都受到捕獲或解釋數據的需求的影響。
增材製造數據與人工智慧領域的機器學習算法結合，是開發預測工具的寶貴資源。預測工具能夠根據設計的實驗結果優化構建參數並改善增材製造流程。在增材製造流程中的數據無法快速、輕鬆、準確的被共享，會減慢增材製造技術的發展。
ASTM 目前正在使用多種數據管理解決方案，但它們之間沒有標準的共享數據的方法，導致成本和工作量增加，原因是相關組織經常必須找到唯一的解決方案來解析從外部獲得的任何給定數據集。為了實現數據共享並減少相關成本，必須開發並證明一種簡單、可複製的實踐標準，在不同組織之間快速準確地傳輸增材製造數據。
l 受影響的標準空白
l 解決方案
通用數據交換格式（CDEF）將設置一個使組織能夠快速準確共享數據的標準。CDEF充當不同數據管理系統的連結；如果整個增材製造社區都使用CDEF，則不同組織之間只需要一個翻譯器即可與系統之間進行數據傳輸。它指定描述增材製造過程的數據元素，過程中生成的數據集之間的關係以及這些數據集的唯一標識符。
以上標準將作為加速開發未來CDEF標準的模板。為了證明該解決方案的有效性，EWI將開發一種在其自己的數據管理系統和建議的標準格式之間的翻譯器。
聚合物粉末回收
英國MTC 將制定評估回收和再利用增材製造聚合物粉末的標準指南。該指南旨在提高使用循環回收的3D列印粉末進行生產的信心。
l 挑戰
在粉末床增材製造中，任何未熔化或粘結的粉末都有可能在以後的生產過程中回收或再利用，從而降低成本和材料浪費。目前很多增材製造技術應用企業根據內部實踐經驗進行粉末的回收和再利用，但缺乏統一標準來評估回收粉末材料在進行3D列印時的質量、最佳實踐，並為回收粉末材料對3D列印零件合格性的影響提供指南。
l 受影響的標準化空白
PC7：材料的回收和再利用（高優先級）
l 解決方案
該項目將評估行業中的現行做法、現有標準以及已發表的有關回收和再利用聚合物粉末文獻。將通過比較粉末床系統中原始粉末3D列印樣品和回收粉末3D列印樣品的可加工性來評估這些做法。
金屬粉末回收
MTC還將領導一個制定金屬粉末原料採樣和回收策略指南的項目，該項目將確定目前用於取樣和回收粉末原料的策略，並為這些策略對金屬增材製造工藝、材料和最終用途的適用性提供指導。
l 挑戰
目前，很多增材製造用戶正使用多種策略進行金屬3D列印粉末材料回收、再利用。這些策略制定時考慮的因素包括：材料類型、增材製造設備的設計，以及更重要的是3D列印最終應用。但這些回收策略是在個案基礎上實踐出來的，行業內缺乏金屬3D列印粉末材料回收的真正共識。
金屬粉末回收利用需要克服的挑戰包括：1.什麼是影響粉末質量的關鍵工藝變量；2.在粉末回收和再利用過程中如何測量和跟蹤這些變量；3.將定義的回收和再利用策略與標準化術語系統結合起來；4. 定義標準化的採樣策略，以確保粉末質量一致性；5.了解粉末批次何時達到其使用壽命；6.什麼情況下應隔離或調節粉末批次。
l 受影響的標準化空白
PM5：金屬粉末原料採樣（高優先級）
該項目將評估當前金屬粉末回收和採樣實踐的優缺點和適用性，整理行業信息、已出版的文獻和現有標準。該項目將制定有關如何實施回收策略的標準定義和最佳實踐建議，概述在回收和再利用期間應控制的關鍵工藝變量和粉末質量參數。
該項目還將為已定義的回收策略提供有關採樣策略。採樣策略的作用是，確保可以對回收過程進行監控，從而進行質量控制並支持質量可追溯性。該項目將考慮ASTM B215中定義的抽樣做法，並就如何收集代表性樣本提供建議。該項目還將概述粉末製造商和增材製造用戶可用來維持粉末質量的最佳做法。
超小型拉伸樣件
新加坡增材製造創新集群（NAMIC）新加坡製造技術研究所（SIMTech）將開發金屬3D列印的標準超小型拉伸試樣。這些試樣將減少見證測試的時間和材料成本。
l 挑戰
見證測試是一種通過測試在金屬3D列印過程中與組件一起進行列印的樣件，來實現質量監控的方法，常用於粉末床金屬3D列印中。這些測試樣件是3D列印零件進行機械性能測試的替代物。但基於當前標準所製造的測試樣品所需材料量相對較大，增加了列印時間和材料成本，並減少了一次列印中可用於製造3D列印零件的構建空間。
PC3：設備運行狀況監視（低優先級）
l 解決方案
更小體積的測試樣品將在市售通用測試框架中進行測試。使用標準應變測量方法（例如夾式和視頻引伸計）測試矩形測試樣件的拉伸結果。其厚度和寬度公差範圍也將建立。
增材製造馬氏體時效鋼規範
NAMIC和新加坡科技設計大學（SUTD）將對馬氏體時效鋼進行研究。這項工作將為開發馬氏體時效鋼增材製造應用的材料規範提供基礎。
l 挑戰
馬氏體時效鋼具有高強度和高韌性，而不會降低延展性，具有良好的焊接性和尺寸穩定性。這些特性使馬氏體時效鋼成為汽車工業中的常用材料，可用於製造傳動軸、齒輪、彈簧和重型變速器；在航空航天領域，馬氏體時效鋼可用於製造火箭和飛彈的蒙皮；在體育產業中，可用於製造擊劍、自行車車架和高爾夫球桿頭。
增材製造馬氏體時效鋼的材料標準將提高市場接受度和可用性。
該項目將確定行業要求，針對增材製造技術制定馬氏體時效鋼的標準，並開發技術數據支持這些需求。這項工作範圍將通過工業調查以及對市場上可購買的馬氏體時效合金和增材製造工藝進行機械測試來完成。
孔隙表徵體積可追溯性
NAMIC和新加坡A * Star國家計量中心將制定標準指南，用於指導粉末床熔化和粘結劑噴射技術製造的金屬零件在進行無損檢測時的體積可追溯性。該項目將評估這兩種金屬3D列印技術製造的組件，並為評估零件質量提供指導。
l 挑戰
X射線計算機斷層掃描（XCT）是金屬增材製造組件無損檢測的主要方法，用於提供孔徑、形狀和分布等詳細信息。但是，在進行部件內孔隙的體積可追溯性的檢測時仍然受到限制。為保證功能性金屬3D列印零件的質量，需要增強零件密度和孔隙率的定量表徵以及孔分布細節。
l 受影響的標準化空白
NDE3：增材製造零件無損檢測的標準指南（高優先級）
l解決方案
該項目將通過開發XCT的體積可追溯性方法，增強增材製造零件和質量保證的測試技術。
項目組將使用CT 和比重瓶測定方法，對粉末床熔融和粘結劑噴射工藝製造的金屬3D列印零件進行檢測，生成密度和孔隙率數據集，並將使用人工智慧（AI）分析所得數據，以實現樣品內孔隙率的體積可追溯性。
粉末床熔融工藝參數的耐熱測試
美國宇航局（NASA）和奧本大學將設計一系列測試組件和方法，來驗證粉末床熔融工藝參數。這些測試樣件將使得製造商能夠合併具有挑戰性的幾何形狀來確認參數集是否可靠，並在各種局部熱條件下產生合適的零件質量。
l挑戰
在粉末床熔融工藝工藝的鑑定中，需要證明參數設置對熱工況變化的容忍度。當前的過程通常應用一組固定的參數，而不考慮零件的幾何形狀和構建中的其他因素。一些製造商保留適用於外部輪廓或朝下表面的固定參數子集，但這些參數通常不適合局部熱條件。
l受影響的標準化空白
PC5：參數控制（中等優先級）
l 解決方案
該項目將通過熱挑戰構建驗證由零件幾何形狀定義的極端工藝條件參數集。該項目將確認固定參數集對大多數零件幾何形狀都是可靠的，從而導致在各種零件幾何形狀上成功構建的可能性更高。
根據3D科學谷的市場觀察，ASTM 近日獲得了第三輪融資，資金用於支持這些有助於加快增材製造標準的新研究。2019年10月，ASTM 獲得了第二輪融資，並將這筆資金用於支持9個增材製造標準化研究項目，詳細研究內容請參考《ASTM全方位推動ASTM增材製造卓越中心（CoE）加速標準化研究進展》。
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