由于金属3D打印过程的复杂性,航空航天部门对采用这种工艺制造的零件的安全性长期存在质疑。用户往往对3D打印零件的机械行为、使用性能及其后续的变化缺乏足够的理解,同时对3D打印过程中的缺陷产生、微观结构表征以及零件热处理等经验不足。
3D打印技术参考获悉,为消除航空航天领域3D打印技术的使用障碍,法国IRTSaintExupéry研究所于年联合20家单位共同发起了一项名为ANDDURO的项目,旨在确定加工条件(机器、参数、热后处理等)与材料质量之间的联系,共同建立一个与金属增材制造相关的、综合多重因素的,且包括机械性能、微观结构和工艺参数之间关系的数据库。项目总预算万欧元——私营部门出资27%,公共部门出资73%,历时59个月完成。
这个庞大的参与团队包括粉末制造商、零件制造商、专门从事零件后处理的合作伙伴和工业最终用户以及学术单位,其中就包括空客、欧瑞康、赛峰、利勃海尔等这些大力投资增材制造的公司。通过对过程典型缺陷进行表征,研究缺陷对机械性能的影响,确定缺陷检测所需的控制手段和条件,评估材料在寿命条件下的稳定性,建立涵盖多个主题的知识库和确定的执行方法。
ANDDURO项目专注于研究航空工业中使用的3种主要合金:铝合金、钛合金和镍基高温合金,支持对粉末床熔融(包括电子束熔化和激光熔化)条件下的材料和工艺进行认证。
项目实施
航空航天领域的参与人员多达15家,但各家的水平实际上参差不齐。为提高每个行业成员对技术的认知水平,项目对所有的制造步骤进行了确认和控制,以最大程度减少不确定性,并在项目进行中保持连贯。
项目成员可以获得大量的资源,包括13台工业3D打印机,用于膨胀和热处理的各种熔炉和烘箱,以及热等静压设备;其他必备的仪器还包括X射线显微断层扫描仪、金相制备装置、显微镜、热分析装置、硬度计以及机械试验机等等,分别对材料的显微组织及机械性能进行研究。
项目围绕缺陷的危害性和相关验收标准的确定等主题实施详尽而稳健的研究计划,或开发适合3D打印工艺所产生的微观结构的优化热处理工艺;实施长期等温老化测试(长达小时,近14个月),评估粉末床熔融3D打印制造的金属合金的微观结构和机械性能的稳定性;确定和探索金属增材制造的未来发展,如研究更多的材料或提高技术生产率。
项目成果
由多个不同平台制造的多个样本形成的数据最终实现结构化,与原材料、样本、最终部件及其机械特性相关的数据完全可追溯。3D打印技术参考发现,为了让更多的人都更好地了解粉末床金属增材制造的潜力和挑战——ANDDURO团队选择了46个可交付成果中的11个来共享给从业者。以下为主要的研究成果:
在表征方面
确定了金相制备方法,包括特定的化学和电化学腐蚀条件,揭示了粉末床熔融3D打印零件的微观结构。还对透射电镜试样的制备方法进行了研究,特别是铝合金;
确定了粉末床熔融3D打印零件的微观结构表征方法,如光学显微图像、扫描电子显微图像(SEM)、透射(TEM)或电子背散射衍射(EBD)等等;
确定了粉末表征方法;
确定了无损检测方法,包括X射线显微断层扫描,无论是在这些表征的能力和局限性方面,还是在生成数据的开发和调度方面。在机械测试之前、期间和之后在试样上使用这种方法,不仅可以更好地识别增材制造造成的结构损坏模式,还可以跟踪热处理后的缺陷比例和形态演变;
确定了使用膨胀计或差热分析的热分析方法。
在材料方面
确定了工艺参数、制造条件、工件几何形状对微观结构和宏观力学性能的影响;
对粉末床熔融3D打印的合金进行热机械处理。这项工作促进了创新的热处理和热机械处理(时间、温度、压力和冷却循环)的发展,可以直接在工业环境中使用;
识别和量化了在长期热老化过程中3D打印合金的微观结构和机械性能(应力和抗疲劳性)的演变;
建立了控制缺陷产生的方法(尺寸和位置)。这些受控缺陷对3D打印材料的机械性能会造成影响,研究成果给出了允许的临界缺陷尺寸和工业尺寸标准。
在流程方面
在电子束熔融和激光束熔融设备上完全控制与制造相关的数字链;
处理和管理不同类型和粒度的粉末,涉及与制造周期所有阶段(粉末制备、机器、清粉、回收、储存等)操作员安全相关的技术需求和要求;
为了更好地控制粉末床激光熔融制造的过程,设计了一个实验台,大大提高了此类制造设备的设计、现场控制以及完整操作方面的技能。
共17份文件,已上传QQ群(),文件名:ANDDURO研究成果。