增材制造工藝的可變性

來源： 增材之光  

雖然增材制造（AM）歷來被用于快速原型制造，該領(lǐng)域已經(jīng)有了很大的進步，將增材制造用于制造和生產(chǎn)最終用途產(chǎn)品。為了用作制造解決方案，增材制造工藝必須為材料特性和幾何尺寸產(chǎn)生可重復(fù)的結(jié)果。在定義諸如設(shè)計允許值，質(zhì)量控制程序，可接受的廢品率和作為生產(chǎn)方法的一般適用性等項目時，理解增材制造過程可重復(fù)的程度是一個關(guān)鍵因素。雖然有幾項研究正在研究增材制造工藝的尺寸精度，但沒有一項研究關(guān)注精度的多種技術(shù)。此外，很少有研究檢驗增材制造工藝的機械性能變化，大多數(shù)分析都是針對金屬增材制造解決方案。該研究檢查了增材制造過程的機械和尺寸變化，以確定聚合物溶液的制造準(zhǔn)備情況。該研究旨在使性能表征標(biāo)準(zhǔn)化，以允許在過程之間進行直接比較，盡管材料和構(gòu)建方法存在差異。為實現(xiàn)此目的，測試策略支持檢測構(gòu)建平臺，構(gòu)建之間，機器之間以及構(gòu)建方向之間的差異。為簡明起見，本報告將討論限制為累積和機器間差異。

可變性和準(zhǔn)確性
研究和分析增材制造工藝的機械性能和幾何尺寸以及尺寸精度的可變性，以評估在生產(chǎn)中使用的準(zhǔn)備情況。可變性可以表示為精度，這與精度不同（圖1）。理想情況下，增材制造工藝在用于制造產(chǎn)品時既準(zhǔn)確又精確。然而，精確（低可變性）但不準(zhǔn)確的過程優(yōu)于不精確但準(zhǔn)確的過程。簡單地說，精度可以產(chǎn)生可預(yù)測和可重復(fù)的結(jié)果，這些結(jié)果是控制制造過程和輸出質(zhì)量信心所必需的。因此，增材制造工藝必須表現(xiàn)出低可變性，以作為主流制造方法。在該研究中，通過變異系數(shù)（COV）和標(biāo)準(zhǔn)偏差（SD）量化可變性。

增材制造流程

有許多增材制造工藝和數(shù)量驚人的材料和機器組合。為本研究選擇六種增材制造工藝和六種材料，選擇標(biāo)準(zhǔn)包括流行度（它們在工業(yè)應(yīng)用中的使用頻率）和供應(yīng)商對制造準(zhǔn)備的要求。表1列出了本研究中分析的增材制造過程、機器和材料。

可變性：機械性能
對于材料屬性，精度是衡量值與目標(biāo)的接近程度的指標(biāo)，這可能來源于數(shù)據(jù)表或之前的測試。精度是值的范圍或偏差的度量，與精度無關(guān)。對于該調(diào)查，未評估增材制造材料之間的準(zhǔn)確性和相對差異。相反，變異性（精度）作為衡量重復(fù)產(chǎn)生屬性值的能力，是研究的重點。由于當(dāng)基值顯著不同時，標(biāo)準(zhǔn)偏差（SD）不能用作比較測量，因此該分析依賴于變異系數(shù)（COV）作為可以重復(fù)實現(xiàn)預(yù)期結(jié)果的置信度的指標(biāo)。低變異系數(shù)表示高可預(yù)測性，然后在反復(fù)達到材料特性規(guī)格時提高了置信水平。例如，如果增材制造過程具有低變異系數(shù)但是不準(zhǔn)確，則可以修改部件設(shè)計以適應(yīng)偏移，或者可以調(diào)整處理參數(shù)以獲得期望的結(jié)果。因此，與任何工藝一樣，制造需要低變異系數(shù)，以確保從構(gòu)建到機器和機器到機器的一致性能。該研究評估了變異系數(shù)的拉伸強度，拉伸模量和斷裂伸長率（EAB）。為了進行詳細分析，變異系數(shù)是從水平（XY）和垂直（ZX）方向構(gòu)建的測試試樣測量的。此外，對兩臺增材制造機器的COV進行了一致性調(diào)查。有關(guān)測試方法的其他詳細信息，請參閱附錄。總體圖2顯示了通過工藝和試樣取向的拉伸強度，拉伸模量和斷裂伸長率的變異系數(shù)。結(jié)果表明，F(xiàn)DM，MJF和SLA的強度和模量COV均低，均低于4.01％，構(gòu)造方向之間僅略有差異。除MJF在XY方向的EAB外，F(xiàn)DM，MJF和SLA的EAB具有低至中等COV，范圍從4.96％到14.12％。通常，EAB測試結(jié)果產(chǎn)生的變異性比拉伸強度和拉伸模量的變化更大，與制造工藝無關(guān)，因此這些結(jié)果符合預(yù)期。

假設(shè)可以從現(xiàn)有材料中獲得所需的機械性能，低變異系數(shù)（COV）表明FDM、MJF和SLA最適合生產(chǎn)應(yīng)用。SLS、CLIP和FFF的COV越高，可預(yù)測性就越低，這不利于生產(chǎn)。FFF具有很高的變異性，除了一種情況外，所有情況下最大的COV，在XY方向上，SLS的拉伸強度更高。圖2還顯示了兩個方向的COV之間的FFF偏差非常大。然而，這一事實應(yīng)該被忽略，因為ZX方向沒有很好地支持，也不推薦用于FFF，因為無法穩(wěn)定薄而高的結(jié)構(gòu)。因此，只有一半的FFF ZX樣本是在發(fā)現(xiàn)供應(yīng)商的定位建議后構(gòu)建的。如圖2所示，除了一個實例外，CLIP和SLS的COV值優(yōu)于FFF，但它們的值比FDM，MJF和SLA差。請注意，由于CLIP的構(gòu)建區(qū)域，無法構(gòu)建XY方向的優(yōu)惠券。

這是3D打印顧問Todd Grimm的白皮書，盡管這是Stratasys委托研究的一部分。它將成為系列的一部分。