按照傳統(tǒng)制造工藝，在最終用途零件進(jìn)行批量生產(chǎn)之前，通常首先采用CNC加工來制造金屬原型來進(jìn)行裝配和功能測試，然后再通過其他工藝進(jìn)行批量生產(chǎn)。金屬3D打印作為一種新型便捷的制造工藝，加工出來的零件性能與傳統(tǒng)零件相當(dāng)，甚至更好。

GE Additive開發(fā)的3D打印燃油噴嘴就是最為知名的應(yīng)用案例。它將20個(gè)零件組合成一個(gè)單元，幾何形狀過于復(fù)雜以至于無法通過傳統(tǒng)工藝制造，3D打印將其實(shí)現(xiàn)了一體化成型，并減輕了25％的重量。

圖1：3D打印僅是整個(gè)制造過程最前端的環(huán)節(jié)

然而，3D打印僅僅是整個(gè)制造過程的其中一環(huán)，將金屬3D打印提升到更高生產(chǎn)水平的一個(gè)重要要素是后期處理，包括后期加工選項(xiàng)、材料可追溯性、檢驗(yàn)報(bào)告以及相關(guān)認(rèn)證，以確保高質(zhì)量零件符合最終用途和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

通過機(jī)加工滿足關(guān)鍵特征要求

3D打印后的CNC加工可以實(shí)現(xiàn)高要求零件所需的更嚴(yán)格的公差，同時(shí)還能滿足增材制造的設(shè)計(jì)自由度。

通常，SLM打印的零件公差為±0.003英寸（0.076毫米），經(jīng)過后處理CNC精加工后可達(dá)±0.001英寸（0.0254mm）。與大多數(shù)3D打印過程一樣，使用線切割機(jī)床或帶鋸將零件從構(gòu)建基板上取下，并用手動(dòng)工具去除支撐，對(duì)于需要更嚴(yán)格公差的關(guān)鍵特征，機(jī)加工能夠滿足要求。

圖2：與SLM打印后的情況相比，精密加工可在制造后實(shí)現(xiàn)更嚴(yán)格的公差和更好的表面質(zhì)量

此外，后期加工也可用于提高表面質(zhì)量。3D打印金屬零件的標(biāo)準(zhǔn)表面粗糙度范圍為5-10 μm，具體取決于方向、材料和層厚度。后期加工可以實(shí)現(xiàn)最高2μm左右的表面粗糙度。CNC加工的更高精度非常適合制造精確的孔和螺紋。

通過粉末分析和材料可追溯性進(jìn)行質(zhì)量控制

隨著航空航天和醫(yī)療等受到嚴(yán)格監(jiān)管的行業(yè)將3D打印作為最終用途制造工藝，對(duì)于粉末材料的分析和可追溯性變得至關(guān)重要。

通過按照ASTM標(biāo)準(zhǔn)采購材料并實(shí)行單批次跟蹤，材料質(zhì)量控制在打印過程開始之前就開始了。材料采購后還將進(jìn)行頻繁的粉末測試確保符合ASTM規(guī)定的化學(xué)成分。除遵循這些流程外，粒度分布測試也被包括在其中，同時(shí)也會(huì)記錄源粉末的分析和機(jī)械測試數(shù)據(jù)。

通過熱處理強(qiáng)化零件

對(duì)3D打印的零件進(jìn)行熱處理可以消除應(yīng)力、降低潛在的變形和開裂風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)還可以使最終用途部件韌性更好、更加耐用，提高材料的綜合力學(xué)性能。常用的熱處理手段包括去應(yīng)力退火、熱等靜壓、固溶退火和時(shí)效處理。

SLM過程中發(fā)生的快速加熱和冷卻可能會(huì)增加零件內(nèi)部應(yīng)力，因此每個(gè)SLM零件都需要按照ASTM 3301標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行應(yīng)力消除處理。專門的熱處理技術(shù)如熱等靜壓（HIP），通過在高溫條件下施加均勻的壓力可以消除大部分零件內(nèi)部空隙，為減少故障提供了另一種控制方式，這是航空航天應(yīng)用的普遍要求。

圖3：對(duì)3D打印的零件進(jìn)行熱處理

退火是最終用途SLM零件的另一種熱處理選擇。此過程將零件加熱到高溫，然后迅速冷卻，從而改變了零件的實(shí)際微觀結(jié)構(gòu)并提高了延展性。時(shí)效提高了零件的疲勞強(qiáng)度，使其可與鍛造材料媲美。

機(jī)械測試可以在熱處理后進(jìn)行，確保生產(chǎn)零件的機(jī)械要求得到滿足。相關(guān)測試通常包括拉伸強(qiáng)度、洛氏硬度、疲勞和振動(dòng)等。

質(zhì)量保證和檢驗(yàn)報(bào)告

為了確保具有高要求的零件符合嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，需要提供許多質(zhì)量檢查選項(xiàng)來評(píng)估零件的幾何結(jié)構(gòu)、材料組織以及尺寸特征，檢查零件是否在公差范圍內(nèi)并具有所要求的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。根據(jù)具體零件和注意事項(xiàng)，可以通過坐標(biāo)測量機(jī)（CMM）、光學(xué)、CT掃描以及X射線來實(shí)現(xiàn)。質(zhì)量報(bào)告和認(rèn)證有助于根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證零件，這在具有行業(yè)特定要求和高度安全考慮的行業(yè)（如航空和航天）至關(guān)重要。

GE Additive指出，航空和航天是增材制造應(yīng)用最為激進(jìn)的領(lǐng)域，其產(chǎn)品以具有很長的壽命周期和極高的安全要求而聞名。有些零件在起飛和著陸期間，或在遭遇空氣湍流的情況下將面臨高水平的熱負(fù)荷或機(jī)械負(fù)荷，這也是大多數(shù)部件要求制造檔案的一個(gè)重要原因。

圖4：3D打印的航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件與傳統(tǒng)制造部件對(duì)比

這些高安全性和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)通過AS9100（航空器、航天和國防工業(yè)的國際管理標(biāo)準(zhǔn)）進(jìn)行監(jiān)管。該標(biāo)準(zhǔn)為供應(yīng)商提供了全面的質(zhì)量體系，以向航空航天和軍事實(shí)體提供安全可靠的產(chǎn)品。制造商可以按照AS9100質(zhì)量管理體系的AS9102報(bào)告進(jìn)行SLM生產(chǎn)零件的首次物品檢驗(yàn)（FAI），驗(yàn)證最終零件是否符合原始圖紙、采購訂單以及其他注明的規(guī)范。

總而言之，金屬3D打印的后處理可改善尺寸精度、表面粗糙度和機(jī)械性能。生產(chǎn)高質(zhì)量零件不僅限于3D打印的制造過程，附加的后處理為高要求的最終用途零件提供了高級(jí)選項(xiàng)。