源自增材金属零件的十大宝贵经验

达尔康对机加工了如指掌，公司未来的目标是继续加深对增材制造的了解。作为计算机辅助设计(CAD)/计算机辅助制造(CAM)软件供应商(现为欧特克一部分)不仅希望能在加工增材制造零件方面引领客户，还正在努力开发一款名为Part-Builder(零件制造商)的增材制造软件。但公司合作研究和创新项目经理Jan Willem Gunnink承认公司还有很多需要学习的地方。正如制造业的其他方面，达尔康在增材制造方面的学习曲线正在上升，为了更为深入的学习，公司根据其近期在增材生产领域开展的几项试验分享了其经历成果——成功的经验和失误的教训。

公司在此方面是值得赞扬的，从经验中学习的代价是高昂的，公司所开展的增材制造项目耗费约数万美元。此外，从经验中学习并非易事，回顾过去，其中不乏显而易见的过失，令人唏嘘，达尔康对其发现成果和失误不足都进行了保密。相反，Gunnink和其他参与该项目的人员就上述方面开展了自由讨论。

达尔康在实验中通过增材制造生产的零件是一根长95mm，大凸缘处直径为90mm的锥形316L不锈钢歧管，外加一个凸缘和一个大孔径，两者皆与该零件成直角延伸至零件外径之外。该零件(实际生产组件)通常的制造方式是铸造，但达尔康想要通过粉体金属增材制造过程对其进行加工制造，以此体验将增材制造用于生产的利弊。公司不愿透露其采用的增材制造设备(为了不暗示其对该设备的认可和偏好)，但工艺流程包括一块制造板。设备加工了四根歧管，因为这是在一个循环内的制造板上可加工的最大数量。设备不仅对零件进行了增材加大，而且进行了全步骤生产，包括从后加工至最终形成功能部件——正如这是其实际生产过程中所要实施的步骤。

图1  达尔康在增材制造方面的实验不仅涉及零件增大，还通过所有成批生产所必要的工艺步骤，尤其是使用机加工对其进行探索

正如Gunnink对我描述的一样，他们从整项工作中总结了至少十大宝贵教训。引人注目的是，该经验教训涉及机加工的程度和直接涉及增材制造的程度相同。现将达尔康总结的十大宝贵经验汇总如下：

1.规划始于后加工

在任何增材制造零件的制造过程中，应马上解决关于增材之后的制造步骤问题。例如，增材周期结束后，应如何将零件移出制造板?而且哪些特性需要通过减材而非增材加工(机加工)生成?这些问题至关重要，因为它们决定了增材周期。它们决定着送至增材设备的零件结构。在达尔康的案例中，参与该研究的工程师希望通过线切割将零件从制造板中移出，所以他们在零件和制造板之间额外增加了2mm的备用物，以便为线切割提供空间。此外，他们还希望钻孔(因为增材制造工艺在制造出精确圆孔方面性能不佳)并采用数控机床完成关键啮合面的加工。根据上述决定，增材制造零件的设计包括对“非设计”的测量，因为工程师要填堵模型中的孔并向啮合面增加磨粉备用物以便增大最终形成的增材零件形状。

图2  特性加工的确定决定着增材制造的形式，这意味着后加工步骤的规划应从制造过程的开始进行

这一“非设计”的一项重要例外就是歧管内有一个孔连接两个腔室，这个孔本可用机床进行制造(一台钻孔机即可)，但相反，该孔被留在了合适的位置用于增材生产。原因：一旦制造板和零件被移出增材设备并被颠倒，该孔可为未熔化的粉末金属提供一个钻孔以便粉末金属从其下方的腔室倒出。Gunnink讲道，若无此版本，在腔室内累积的粉末与气密室内的气体结合后会在电火花加工(EDM)中形成火灾隐患。

2.创新或可造成特性流失

并非所有的增材设计技巧都是为了提高最终零件制品的特性。还有一些是针对注定要被切走并弃用的零件形式。在增材中，每一零件水平方向上的设计特色是存在皱缩危险，因为这种形式在制造过程中各层之间的成形时间仅仅相差1min。解决方案是根据这些特性增加支撑，有时是增加成品形状的半径(类似于增大铸件的模锻斜度)，有时是在零件切削前提供支撑物或加固物(其持续时间和制造周期一样长)。

图3  歧管的增材制造版增大后如左图所示，增大切成两半后如中图所示，机械加工后如右图所示

达尔康工程师需要在歧管零件的两个内部腔室之间的水平层增加切削下来的支撑物，但此类支撑物的设计对他们而言仍是一项挑战。典型的增材支撑结构，即金属薄膜会把下室划分为数个子腔室用于堵住粉末，形成上述火灾隐患。工程师们提出的代替性解决方案是采用成年“树木”——高细长柱以及用于力量支撑的分支柱，从而支起这一实体肋板而不妨碍粉末倒出。

3.为总结经验教训留出空间

为达尔康生产零件的增材制造承包商不想在同一制造周期内将四个零件全部制造出来，即使四个零件都适用于制造板。原因是增材制造在零件制造过程中，剩余应力和其他效果方面含有相当大的不确定性。最好的方式是先制造一个零件，观察其构成，看看是否有什么教训需要总结，然后再制造其他零件。

图4 在制造前期可能由于棒和其中一棵“树”的交互作用而给重涂棒造成的缺陷仍能显露于将要制造的第一根歧管的最终表面。在更重要的零件中，此类影响的发现仍然令人担忧

而且，在首个零件制造中，的确也会发现意想不到的效果。显然，影响“树木”形成的剩余应力会造成其中的一棵树长得足够高，从而损毁设备横过每层材料的重涂棒。棒的这一缺陷会影响到其后的每一层，而且还会被视为设备所产出零件最终表面的相应缺陷。这一缺陷令人担心，因为它意味着来自叶片的材料丢失在了某处，而且可能已嵌入零件。举例而言，在像涡轮叶片一样重要的部件中，必须要解决这一可能问题。但就试验歧管而言，该团队打算继续进行生产。无论方式如何，有缺陷证据的表面都需要磨平。

从首次制造总结出的这一更直接且有意义的教训没来得及得以应用。也就是说，直到时长80h的二次制造开始后，工程师才发现零件已从本可影响零件定型制造板上移除。令人沮丧的是，一项仅影响第二次制造的发现也浮出水面。关于此二次制造中的三个零件，其中一个有一个较小却明显的几何缺陷。为什么仅这一个零件受到了影响?原因仍未可知。

如Gunnink所说，最终，第一次仅制造一个零件的这一选择，虽然这是一个谨慎而正确的选择，仍未以任何有意义的方式有益于剩余零件的制造。

4.考虑用带锯拆卸零件

线切割是为了将金属增材制造零件从其制造板切割下来所选择的一种工艺。这一精确的切割操作会形成干净的正方形表面。然而，通过歧管零件大型制造基础的电火花加工速度较低。正如增材周期一样，电火花加工周期长达数小时，是构成前置时间的主要因素。达尔康工程师已增加了2mm的备用物为电火花加工留出间隙，但他们意识到本该增加5mm的备用物用于带锯锯削。用锯锯削零件速度将高得多，而且精度不足也不会造成损失，因为无论如何，表面还会进行数控加工。不幸的是，在认识到这一点之前第二次增材制造已经开始了，故而无法再增加备用物。

图5 含有多个零件的制造过程在设计中即已融入了一项期望，即可以通过线切割将零件从制造板上拆下来。为了便于此操作，零件在设计中留出了足够的间隙。回想起来，工程师们总结说他们本应留出更多空隙，如此便可用带锯锯削，本案例允许保留锯痕，且锯削能更快地拆卸零件

5. 增材制造是铸造的一个强大竞争对手

这一教训证实了达尔康对项目的期望，并找到了公司期望增材制造不断发展的确切原因。工程师们对增材零件进行了测量，以便对增材制造在通过铸造生产此类相同零件方面的作用发挥机制一探究竟。

此案例中的增材工艺更准确。Gunnink讲道，这不是一条普遍性结论，有案例表明铸造更精确。然而，与传统工艺相比，增材制造有助于歧管等近净成形零件更近似于净成形零件。例如，通过增材制造的名义上的圆形歧管，其同轴度在整个零件内≤0.2mm。同时，增材制造的零件的前置时间也很有竞争力。尽管增材制造在大容量零件的生产方面一般无法与铸造相比，但当数量足够小、前置时间足够紧、或几何结构足够奇特从而铸造固定采用的模具不适用时，增材制造却是铸造杰出的替代工艺。

6. 机加工并非事后想法

因为增材制造零件与净成形如此相似，以至于将其加工成成品形状看起来不过是个次要问题，或者说不足为虑。但根据Gunnink的观点，事实远非如此，该团队面临着加工挑战。

例如，将三个零件定位于制造板上会形成一项交错配置，可促使电火花加工线对零件进行一个接一个的切削。然后，因为实际零件的电火花加工周期与第一次切削不相连，结果是当切削面完成后，该零件外径处会形成一个槽。断续切削会有损刀具。

此外，“树形”支撑证明其很难被研磨掉。他们不会坏掉，但会弯曲。同时，切屑瘤会造成刀具坏掉。Gunnink承认，部分原因在于对热处理的忽视。达尔康从增材供应商处获得零件，但未意识到零件并未经过热处理。如果经过了热处理，树木韧性会降低，而且很可能会比较容易被研磨掉。据其所述，这表明在增材处理伊始需要进行规划，且在整个过程中要保持明了的沟通。

7. 复杂的机加工能力更适用

最初，达尔康团队计划在五轴加工中心加工歧管零件，随后他们选择了多任务处理车铣机床。不管怎样，能够进行复杂运动的机床，尤其是能够在一次设置中加工不同零件表面的设备已准备就绪。因为零件在增材制造后如此地几近完成，我们很容易认为一台简单的机床就可以进行所需的机加工。然而，就其性质而言，增材制造适用于生产复杂的零件，这意味着通过增材工艺生产的工件可能需要以下两者之一：精心制作的夹具，用于将其固定于简单的设备上;一台机床，用于将机床调至不同的位置。

8.还需要2D图纸吗

这是达尔康团队遇到的另一个机加工问题：公司的机械工厂忽略了一个特性。支撑物本应被切削掉，但工厂将其保留在了原位，误以为这是设计特性之一。工厂已接入终型计算机辅助设计模型和近终型计算机辅助设计模型，并可将两者进行比较并探究对设备的异同影响。尽管如此，这项特性被忽视了。

图6  在增材制造中，有效的沟通对于有效的处理至关重要，机工厂起初忽略了这一零件的可见支撑物，未能意识到他们只是辅助特性而非最终零件特性

具有讽刺意味的是，使用这种先进的3D工艺可能支持2D图纸作为沟通工具。如果工厂获得了带注释和箭头而且应消除的特性得以明示的图纸，那么就不会犯下这样的错误。

9. 前置时间很快，但没有闪电快

在增材制造过程中，增材并非唯一的步骤。对这一零件而言，两次增材周期的时间很长(分别为55h和80h)，但线切割的总体前置时间(包括送至机械工厂，等待电火花加工设备加工此零件以及实际的电火花加工周期)更长。通过增材制造及后加工制造4个零件产品的前置时间总计约为一个月。

这本可轻易地得以缩短。用带锯将零件从板上锯下可节省大量时间。而且，本实验期间增材制造设备的压缩机发生了故障，使前置时间延长了数日，但达尔康将其计入了总的前置时间，因为“事故发生”是制造过程的一部分。增材制造包含后加工步骤以及本身可能很耗费时间的步骤。增材制造通常会比需要制作工具的工艺流程耗费的前置时间短，但根据零件的不同，与仅包含用固体材料加工零件这一步骤的工艺流程相比，增材制造耗费的前置时间较长。

图7  达尔康发明了“树”结构为零件增大提供支持但却不会堵住零件内腔室中的粉末。增材制造方面的大部分创新都用在了注定被弃用的特性上

10. 增材制造是真正的制造

增材制造不仅仅是将零件“增大”。更具体地说，增材制造并非指让零件通过一晚上逐渐成形，第二天早上制造完成，随时可用。谈及金属零件的加工，增材制造几乎不会如此简单。增材并非是一段工艺流程中的一个步骤，而是一段工艺流程中的几大重要步骤之一，所以正如其他零件制造方法一样，增材制造需要工艺设计、协调和物流，这是达尔康在增材制造试验中得出的最基本的结论，即增材制造绝非易事。正如其他的精确功能部件制造方法一样，增材制造受益于制造专业人士通过培训和艰难实践总结的诸多教训。简而言之，增材制造的进步将为增材制造这一专门技术开辟市场空间。