航空航天零件金属3D打印工艺选择的整体方法(2)
工艺选择的因素
增材制造工艺选择的因素分为四个主要领域：(1) 设计特征，(2) 工艺输入，(3) 工艺限制和考虑因素，以及 (4) 冶金和几何考虑因素。
设计特征包括合金选择、整体零件尺寸和特征分辨率。过程输入包括原材料的类型和属性（化学、粒度分布、线径等）和详细参数。
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工艺限制和考虑因素包括单合金或多合金的使用、工艺经济性、工艺可用性和工业成熟度。零件的几何设计和冶金方面的考虑包括后处理（包括配合法兰的机加工、抛光等）和导致最终性能的冶金特性。这些因素如图 3 所示。工艺选择的最常见依据是组件的复杂性和规模。
图 3 航空航天部件的工艺选择属性。颜色与图 1 中的工艺步骤一致。
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设计特点
航空航天增材制造金属包括铝合金、不锈钢、钛合金、镍基和铁基高温合金、铜合金和难熔合金等等。合金选择通常被认为是工艺选择的初始输入考虑因素，缩小潜在原料范围并开始分析工艺可用性。并非所有合金都可用于该工艺，并且合金性能会有所不同。
在过去 6 年中，增材制造工艺的构建量大幅增加，一些工艺现在能够构建高达 9 米高和 5 米直径的体积。不过仅为构建体积选择的工艺不能保证满足最终零件的性能、特征分辨率或材料特性的要求。
每种增材制造工艺的特征分辨率都有范围，并且高度依赖于原料、机器硬件配置和工艺参数。图 4 显示了与沉积/构建速率相比的特征分辨率的图形摘要。并非所有 AM 工艺都是为最高特征分辨率而设计的，许多工艺旨在提供高沉积速率作为锻造或铸造替代品，并减少总体建造成本。
图 4 基于特征分辨率、构建/沉积率和多合金构建的工艺选择。AFS-D 图片来自 MELD Manufacturing、冷喷涂图片来自 Spee3D、EBW-DED 图片来自 Sciaky 和 Lockheed Martin Corporation、AW-DED 图片来自 Gefertec、LW-DED 图片来自 Meltio、UAM 图片来自 Fabrisonic 和NASA JPL，LP-DED 图像显示DEPOZ 项目期间制造的镍基零件，L-PBF 图像归功于 Renishaw雷尼绍和 CellCore/Sol Solutions Group AG，EB- PBF 图像归功于 Wayland 和 GE增材制造/Arcam。黑色代表熔化过程，蓝色代表固态过程
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工艺输入
设计师还必须考虑金属3D打印-增材制造的供应链，特别是起始原料和增材制造加工机器。无论成分、形式或新颖性如何，原料的交付周期都可能很长，在评估整个供应链时必须加以考虑。
粉末原料要求取决于增材制造工艺，并且必须根据化学成分和粒度分布 (PSD) 进行控制，以确保流动性和铺展性。其他原料，如线材、棒材或箔材，对于普通合金来说可能很容易获得，但对于定制合金，可能需要更长的交货时间或更高的成本。
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大多数AM-增材制造过程允许多合金加工，尽管迄今为止，多合金 AM增材制造组件的冶金特性用于航空航天飞行应用中的实施还是很有限的。可以针对质量、热、结构或其他设计特征对使用多种合金的构建进行优化。
过程限制和注意事项
由于增加的构建时间、构建功能或必要的后处理操作，复杂性会带来许多隐性成本。此外，可检查性通常会随着复杂性的增加而降低。复杂性给后处理操作带来了挑战，例如除粉、加工、抛光和检查，应在整个生命周期内进行评估。随着沉积速率的增加，成本会降低，但特征分辨率也会降低。
AM-增材制造流程之间的成本交易必须包括竣工复杂性和所需的后处理步骤。例如，接近最终形状的零件可能会以高沉积率快速构建，但由于库存过多，需要额外的加工时间。
最常用的金属增材制造工艺是 L-PBF，相比之下冷喷涂的生产工艺有限，但随着新机器制造商的出现，市场正在增长。与少数机器供应商的许多其他工艺相比，AFS-D 和 UAM 的开发较少，但所有工艺的研究和工业化正在迅速成熟。
由于早期的行业采用、飞行应用的标准开发以及新材料的开发和表征，一些增材制造工艺比其他工艺更成熟，从而提高了技术准备水平 (TRL)。
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对于硬件认证，必须控制工艺参数并证明其是一致的和可重复的，这与工业成熟度有关。
冶金和几何考虑
随着金属增材制造工艺成熟并被用于航空航天部件，必须进一步了解微观结构对工艺参数、原料和机器硬件的响应。
材料特性高度依赖于原料、工艺本身以及热处理等后处理方法。金属加工的变化将对微观结构和材料性能产生重大影响。根据材料的状态、加热和冷却速率或构建操作期间的冷加工，每个过程都会产生不同的微观结构。
在实施到飞行应用之前，必须充分了解和锁定构建参数和原料，并在整个热处理和后处理的演变过程中评估微观结构。图 5 显示了来自增材制造工艺的已建成微结构示例。对增材制造工艺对材料微结构和性能的影响因素的深入了解，有利于支持材料性能优化和增材制造零件航空航天认证方法的改进。
图 5 不同金属增材制造工艺的 Inconel 625 的完工微观结构，所有工艺的构建方向 (Z) 用箭头标注。基于（参考）从 A 到 G 的微观结构；AFS-D 的图像 H 来自 (Ref)。图片由 Fabrisonic 提供。注意：比例变化以提供竣工微观结构的最佳定义。
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总结
工艺输入、工艺控制和工艺的可重复性以及材料的冶金特性是一个永远在路上的研究话题，即使增材制造在航空航天应用中迅速成熟和工业化，每个零部件的加工仍然具有独特的经验教训，以及通往认证和生产的正确途径。
最终，控制零部件的性能需要仔细关注产品制造过程生命周期的每个步骤，以生产满足冶金特性和性能、几何公差和设计意图的零件，并以负担得起的方式获得零件的认证。
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