3D打印批量生產(chǎn)，特別是不同供貨商批量生產(chǎn)，能否保證零件精確一致？當設(shè)備、粉末、工藝都接近時，人的因素到底會產(chǎn)生多大的差別？目前3D打印的平均制造能力如何？美國宇航局馬歇爾太空飛行中心的一項研究引起了“增材研究”的關(guān)注。他們尋找了14家增材制造服務(wù)商，給了相同的STP文件、按照相同的設(shè)計要求在15臺設(shè)備上打印了16套復(fù)雜部件。

按照設(shè)計要求，部件是一塊140mm* 140mm*31.8mm的構(gòu)建板，板上包含不同角度的薄壁、孔、圓柱體、方形通道、曲面和槽等。采用的合金粉末統(tǒng)一為鎳基合金Inconel 718。3D打印方式為激光粉末床熔合 (L-PBF)。

構(gòu)建板結(jié)構(gòu)特征命名如上圖，實物圖如下（構(gòu)建板銅色為拍攝光線影響，“增材研究”勸您不要糾結(jié)）

結(jié)構(gòu)特征實物如下圖

3D打印的相同 STP 文件提供給 14 家增材制造服務(wù)商，如下表所列。服務(wù)商12 使用兩臺同一型號設(shè)備生產(chǎn)兩套構(gòu)建板，服務(wù)商 10 在不同的機器上生產(chǎn)兩套構(gòu)建板。

3D打印完成后，構(gòu)建板均在 1066 °C 下消除應(yīng)力 90 分鐘，并根據(jù) ASTMF3055–14a]在爐內(nèi)（緩慢）冷卻。構(gòu)建板在應(yīng)力消除和從基板板上移除后沒有噴砂或其他加工操作，交付給美國宇航局馬歇爾太空飛行中心進行評估。如下圖

每個特征結(jié)構(gòu)尺寸偏差測量方式如下表

水平孔
設(shè)計有有八個水平孔(HH-x)，但大多數(shù)僅生成四個大于 0.51 mm的較大孔（HH-2、HH-4、HH-6、HH-8）。

四個較大水平孔的偏差范圍為0.18-0.20 mm，隨著孔直徑的增加，平均偏差呈下降趨勢，這意味著孔更接近設(shè)計的公稱直徑。紅色圓圈代表16組數(shù)據(jù)的平均值，水平孔的偏差小于預(yù)期的設(shè)計標稱。異常值用紅色三角形顯示。所有孔的針規(guī)測量值均低于目標尺寸。



豎孔

設(shè)計有八個豎孔（VH-x），直徑從0.20到4.1 mm，以確定打印最小孔直徑和尺寸差異。在16套構(gòu)建板中，沒有成功打印出0.20mm的豎孔，0.30mm的一個，0.41mm的六個，0.51mm的孔九個。所有孔的針規(guī)測量值均低于目標尺寸。

重復(fù)豎孔
在構(gòu)建板上打印了兩組重復(fù)的豎孔（RH-x），用以對比重復(fù)打印精確性。重復(fù)豎孔的平均誤差小于 10 µm。對于 2.0 mm和 3.8mm直徑的孔，大多數(shù)都達到或低于標稱尺寸，如下圖a所示。與標稱尺寸的偏差如下圖  b 所示。實線（帶淺藍色四分位數(shù)）表示通過結(jié)構(gòu)光掃描（SLS）進行的測量，虛線（帶淺黃色四分位數(shù)的）表示通過針規(guī)（PG）進行的測試。紅色圓圈表示數(shù)據(jù)集的平均值，中間值由最寬的水平線表示。第1和第3四分位數(shù)為+25/-50 μm的設(shè)計孔徑，平均值和中值均低于目標值，如圖b所示。每個構(gòu)建板包含七個200μm直徑的孔和六個500μm直徑孔，分別總計112個和96個數(shù)據(jù)點。兩種孔誤差范圍為± 75 µm。

下圖顯示了不同服務(wù)商打印的重復(fù)孔。無論孔尺寸如何，每種機器配置的偏差方向（即尺寸過大或尺寸過?。┒际且恢碌摹C器配置比孔尺寸對設(shè)計目標的絕對誤差影響更大。

圓柱
在每個構(gòu)建板打印出八個垂直圓柱體（EC-x）。構(gòu)建失敗僅發(fā)生在 100 µm 以下的小直徑圓柱體上，直徑大于 100 µm 的圓柱體制造成功率為 100%。小直徑圓柱體的平均值和中值高于設(shè)計目標，而大直徑圓柱體的平均值和中值等于或低于設(shè)計目標，并且絕對誤差小于小直徑圓柱體。


小直徑圓柱體（低于 50 µm）非常脆弱，略有彎曲。目前尚不清楚這些彎曲是否是由于運輸和搬運造成的損壞或打印過程造成的。不管怎樣，圓柱體的這些彎曲變形并不構(gòu)成失敗，總直徑仍然可以測量，并被認為是成功打印的。更小直徑圓柱體沒有成功構(gòu)建。如下圖所示，其中紅色圓圈表示平均值，寬水平條表示中值，每列的標稱值都帶有陰影。除非另有標記，否則所有列均由 16 個數(shù)據(jù)點組成。

槽
構(gòu)建槽（SL-x）以確定竣工寬度的準確性并確定最小的可行特征尺寸。槽(SL-1) 寬為 10 µm 時會出現(xiàn)部分橋接或高粗糙度（呈現(xiàn)閉合外觀），并被歸類為失敗構(gòu)建。使用針規(guī)試圖獲取 SL-1 槽寬度的數(shù)據(jù)，但沒有提供除結(jié)構(gòu)光之外的任何其他數(shù)據(jù)。針規(guī)垂直和平行于槽長度插入，以確保測量方法的可重復(fù)性。只有 25% 的第二小槽 (20 µm) 成功構(gòu)建而沒有橋接或閉合外觀。對于第三小的槽 (38 µm)，只有一次構(gòu)建失敗。對于六個最大的槽（SL-3 到 SL-7），平均偏差差為 ±7.5 µm。偏差范圍為 +69 µm/−84 µm。

方形通道
測量各種尺寸的方形通道寬度和高度，對比了兩組相鄰的通道以顯示單個構(gòu)建中的可重復(fù)性。偏差的初步分析并未表明通道高度和寬度之間存在顯著差異。大于 100 µm 的通道范圍通常為 125 µm +50/−75 µm。偏差數(shù)據(jù)表明，少數(shù)通道顯示了更大的偏差范圍，但這是基于單個板的更高偏差。平均長度（高度和寬度）整體尺寸偏小，中值偏差通常為 25 µm。對于小于或等于 100 µm 的通道尺寸，任一方向的偏差都會增加。打印失?。ㄓ捎诿芊猓﹥H發(fā)生在最小通道尺寸小于50 µm 的情況下。此通道尺寸的 16 個打印中只有 9 個打印成功。

曲面
設(shè)計誘導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)的目的是測量不斷變化的復(fù)雜表面并將其與標稱 CAD 模型進行比較。懸垂角度最大為 45°。此結(jié)構(gòu)具有 50.8 mm直徑的底座，高度為 20 mm，并且直徑隨著高度的增加而減小。與標稱 CAD 幾何形狀相比，誘導(dǎo)輪曲面的擬合很好。

在同一位置的每個表面上比較了 20 個離散點。從誘導(dǎo)葉片表面的頂部（較小直徑）開始（點 1），到誘導(dǎo)表面與底板相交處結(jié)束（點 20）。這些點是隨機放置的，但對于每個構(gòu)建板機器配置都是相同的。數(shù)據(jù)收集過程是自動化的，并以表格形式進行比較。所有構(gòu)建板與標稱值的平均偏差為 13 µm，中值為 20 µm。在所有離散點上觀察到的總范圍為 381 µm。在該數(shù)據(jù)中沒有觀察到異常值。

根據(jù)收集數(shù)據(jù)的位置進一步的評估。這些點為標簽1至20，如下圖所示。前14個離散點的數(shù)據(jù)平均值為± 51 µm，范圍約為178 μm。

在所有機器配置中，低于標稱值的相對偏差均位于同一區(qū)域（如下實物圖）。因為隨著螺旋變細，點14至20向上傾斜，所以假設(shè)構(gòu)建板變形是一個促成因素。此外，隨著點接近構(gòu)建板，變化范圍增加。

全局擬合



下圖顯示構(gòu)建板的全局擬合情況，用以研究構(gòu)建板變形引起的誤差，并專注于誘導(dǎo)輪自由曲面的幾何形狀對齊。掃描數(shù)據(jù)和標稱設(shè)計 CAD 數(shù)據(jù)之間的 3D 比較以確定偏差。相對偏差被報告為表面法線。由于復(fù)雜表面的性質(zhì)，這是使用此方法進行比較的研究中的唯一特征。與局部最佳擬合的比較相比，誘導(dǎo)輪變化大大減少。

薄壁
薄壁（WT-X）特征設(shè)計為寬度為 0.10 至 2.0mm。下圖 (a)的第一列 (WT-1)顯示 16 個構(gòu)建板中的 12 個數(shù)據(jù)，因為并非所有構(gòu)建板都成功構(gòu)建薄壁(WT-1)。大多數(shù)薄壁都是部分建造或完全倒塌的；部分構(gòu)建的厚度數(shù)據(jù)是根據(jù)可用薄壁的局部區(qū)域獲得的。失敗發(fā)生在最小的兩個壁寬（0.10、0.20 mm）上。只有四家服務(wù)商成功打印了各種尺寸的垂直薄壁。為了更好地表示普遍成功構(gòu)建的偏差，從結(jié)果中移除了卷曲和打印失敗的薄壁（圖b）。

所有設(shè)備打印的壁厚為 0.10 和 0.20 mm薄壁實物如下圖，顯示了部分和不完整的構(gòu)建。

其中成功構(gòu)建的薄壁，偏差范圍在 +178/−152 µm 之間，平均值在 0 到 25 µm 之間。似乎只有四臺設(shè)備成功構(gòu)建了 0.010 毫米的壁，分別為構(gòu)建板 7、10、11、12。其中，兩套構(gòu)建板上薄壁的實際壁厚設(shè)計厚度的兩倍，另外兩套是三倍。對于 WT-2（0.20 毫米標稱壁厚），平均尺寸比標稱厚 25%，有12個成功構(gòu)建。所有其它薄壁（WT-3 到 WT-7）的平均值在標稱設(shè)計的范圍內(nèi)。



傾斜墻

傾斜墻（ANG-X）包含五個獨立的墻，它們與垂直方向成 45、50、60、75 和 90 度，以確定相對于其構(gòu)建板底座的角度精度。打印角度與誤差的增加或減少無關(guān)，如下圖所示。

所有角度偏差平均范圍為 0.574°，總體偏差小于 0.15%?？傮w而言，零件角度略大于設(shè)計值。全部構(gòu)建板上45度傾斜墻是唯一全部角度低于目標的，與標稱設(shè)計的平均誤差為 0.43%。



X 和 Y 距離

在構(gòu)建板X邊和Y邊各打印一組立方體，以便分別測量立方體間距（XD-X和YD-X）的精確度。兩種距離的相對偏差隨著距離的增加而減小。X方向的標準偏差為50 µm，Y方向為75  µm。兩個方向的平均距離始終小于標稱設(shè)計值。

Y 距離的偏差大于 X 距離的誤差。X 和 Y 距離測量偏差如下圖所示，數(shù)據(jù)采集取用 IQR 方法。
將四分位數(shù)的范圍限制為 1.5 IQR，表明 Y 距離數(shù)據(jù)集包含五個異常值，其中四個擴大了范圍。

下圖 (a) 繪制了作為標稱距離函數(shù)的偏差。這表明偏差隨著距離的減小而增加，這與本研究的其他數(shù)據(jù)一致。雖然此圖可能表明 Y 距離總體上傾向于有更多偏差，但如果考慮異常值，則差異很小。X 和 Y 距離誤差在圖(b)中直接進行了比較。如果偏差最小化，殘差應(yīng)該在線上分布。數(shù)據(jù)略微落在線的上方或左側(cè)，表明來自 Y 距離的偏差。

平行度和垂直度
對X邊和 Y邊的平行度（PA-X、PA-Y）和垂直度（PERP）進行了測量。Y 方向在 91 µm 處的平行度略低，而 X 方向為 114 µm。垂直度是從平面粗糙度區(qū)域附近的 X 和 Y 方向的內(nèi)表面測量的（下圖用橙色顯示）。

垂直同心孔
每個構(gòu)建板收集了六組垂直同心孔（CON-X）數(shù)據(jù)。垂直同心孔內(nèi)具有大小不同的圓柱結(jié)構(gòu)，如下圖。

CON-1 和CON-1 顯示 71 µm 的錯位，CON-3 和CON-4顯示 53 µm。CON-5（內(nèi)部到內(nèi)部）觀察到的同心度為 18 µm，CON-6 為 24 µm。在所有數(shù)據(jù)中觀察到的平均同心度為 48 µm。



雖然這些值之間的相差 2-3 倍，但所有情況下的平均絕對偏差都很低且不超過 76 µm。同心度偏差的范圍隨著零件尺寸的增加而減小，這并不是由于整體制造中的系統(tǒng)誤差造成的。


基于設(shè)備的同心度數(shù)據(jù)如下圖所示。7、11 和 15 顯示最大偏差。

同心空心圓柱體
兩個同心空心圓柱體（如上圖CON5、CON6）用以測量同心度，內(nèi)徑（7.5 和 15 mm）,外徑（10 和 20 mm）。內(nèi)徑的絕對平均誤差小于 25 µm，與重復(fù)豎孔（RH-x）的值相似。外徑的絕對平均誤差在 25 到 37 µm 之間。雖然所有直徑（無論內(nèi)徑還是外徑）的絕對平均誤差和中值誤差始終在 0 到 50 µm 之間，但總誤差范圍隨著直徑的增加而增加，如下圖。

過程控制



零件生產(chǎn)的可重復(fù)性（即，從單個機器復(fù)制零件）是增材制造和工業(yè)化的一個重點，但本研究重點側(cè)重于整體增材制造服務(wù)商生產(chǎn)一系列特征零件的精度水平。


在供應(yīng)鏈中，粉末化學(xué)成分是第一個要考慮的變量。本研究中雖然各服務(wù)商粉末成分略有差異，但所有粉末均符合ASTM Inconel 718規(guī)范。略微的差異可能會影響微觀結(jié)構(gòu)，從而影響冶金性能。然而不會影響本研究的重點，尺寸偏差。


掃描策略對殘余應(yīng)力（其中主應(yīng)力平行于掃描矢量）有顯著影響。殘余應(yīng)力具有復(fù)合效應(yīng)，受掃描策略的強烈影響，并且是構(gòu)建板整體變形的原因。當前的研究是在完成了應(yīng)力釋放和從構(gòu)建板上移除之后進行的，否則變形可能會影響測量結(jié)果。從制造的角度來看，掃描策略等過程可能具有競爭性，此類信息通常并不總是提供給客戶（或研究人員）。


在 16 個構(gòu)建板中，掃描策略分為三類——條紋、方格、不確定。只有一個構(gòu)建板是不確定的，兩種使用的方格策略，其余的使用條紋掃描策略。盡管掃描策略和失真預(yù)期相似，但三個構(gòu)建板（2、9 和 15）是異常的（參見前文全局擬合圖片）。


構(gòu)建板 2 和 9 的服務(wù)商沒有提供激光功率或掃描速度，唯一可用的信息是掃描策略和鋪粉機構(gòu)材質(zhì)。構(gòu)建板 8 和 14 與 2 和 9 具有相同的掃描策略和鋪粉機構(gòu)材質(zhì)，但變形較小。板 15（高度變形）和 16（輕微變形）的構(gòu)建參數(shù)具有相似性，但在變形方面存在重大差異。兩個構(gòu)建板（15 和 16）之間的差異是輪廓（收尾）掃描。雖然核心掃描策略（掃描路徑策略、掃描策略或填充圖案）經(jīng)常在文中引用，但輪廓（收尾）掃描策略不是。構(gòu)建板 15 使用自定義參數(shù)集來設(shè)置最終的頂面輪廓（與相同的核心掃描策略不同），它具有圓形紋理并成為偏差的原因。


為避免將偏差的原因概括為輪廓掃描策略的函數(shù)，還有一些注意事項。首先，應(yīng)力消除處理雖指定了統(tǒng)一的加熱和冷卻速率，但熱處理設(shè)備的尺寸和能力各不相同。尚不清楚某些服務(wù)商是否在緩慢冷卻期間過早地從熔爐中取出零件（可能是板 2 和 9 與 8 和 14），并且假設(shè)是善意的。此外，基板厚度會對幾何形狀產(chǎn)生影響，當前研究中的基板厚度最小為 18 mm，最大為 32 mm。


雖然大多數(shù)板的總變形在±0.127 mm以內(nèi)，但構(gòu)建板 15 的最嚴重翹曲僅為 0.635 mm，增加的翹曲與掃描策略相關(guān)，該策略基于最終向上的圓形填充圖案——輪廓掃描。雖然相對于選擇的特征尺寸有明顯的失真，但全局失真數(shù)據(jù)未被統(tǒng)計在此前的分析。


如果服務(wù)商不披露過程控制，例如上面討論的最終頂面的輪廓（收尾）掃描策略，就不可能準確說明整體板幾何變形（或微觀結(jié)構(gòu)差異）的非常具體的原因。應(yīng)力消除工藝納入供應(yīng)鏈的一部分也至關(guān)重要。否則，特征和過程能力評估數(shù)據(jù)可能無效。


偏差分析

構(gòu)建板特征結(jié)構(gòu)，包括重復(fù)豎孔在內(nèi)的偏差沒有顯著差異。雖然不同構(gòu)建板的特征重復(fù)性相差近 200 µm，但單個構(gòu)建板的重復(fù)偏差平均測量值在25 µm 以內(nèi)。
重復(fù)孔、可變尺寸的豎孔和可變尺寸的水平孔在所有構(gòu)建板上顯示出相似的幾何偏差再現(xiàn)性。雖然構(gòu)建參數(shù)和硬件配置可能不同，但與根本原因或最佳設(shè)置相比存在微不足道的差異。微小的過程變化是對系統(tǒng)誤差的合理解釋，但總體結(jié)果具有可比性。


水平孔的結(jié)果符合預(yù)期并與現(xiàn)有文獻相符。大多數(shù)直徑低于 0.508 mm的孔都沒有成功構(gòu)建，懸垂熔渣往往會減少總面積。這種熔渣是由于激光穿透未熔化的粉末，隨后局部熔化和固化多余材料。大多數(shù)水平孔中都觀察到熔渣。

上圖顯示了表面光潔度情況，這可能與L- PBF 過程中的飛濺和熱處理氧化有關(guān)。
方形通道和槽在大多數(shù)情況下都成功構(gòu)建，盡管平均小于設(shè)計標稱尺寸。方形通道的絕對數(shù)據(jù)和與標稱值的偏差并未表明高度（Y 軸）和寬度（X 軸）之間存在顯著差異。通道之間存在一些可變性，隨著通道尺寸的減小，相對誤差和絕對誤差都會增加。所有通道誤差在 3% 以內(nèi)且不超過 10%，需要納入零件設(shè)計考慮范圍，否則可能導(dǎo)致流量不均。

上圖表示標準偏差和假設(shè)控制限的幾何特征再現(xiàn)性誤差分布

上圖為比較方形通道寬度和高度的標稱距離的誤差。
只有四個 WT-1 薄壁（0.1 毫米）被成功生產(chǎn)，盡管比標稱設(shè)計厚。其中三個3D打印中層厚設(shè)置30 µm，另外一個層厚設(shè)置50 µm。其中兩個構(gòu)建板薄壁機構(gòu)使用方格掃描策略。最薄的壁 WT-1 使用單個掃描矢量（單條熔軌），而 WT-2 使用三個掃描矢量（三條熔軌寬）。證明 Inconel 718 在L-PBF 設(shè)備可以制造 0.1 mm 薄壁，但需要單條熔軌。薄壁結(jié)構(gòu)比設(shè)計厚度大是由于工藝不穩(wěn)定以及由于粉末中的延遲散熱導(dǎo)致熔池尺寸增加。


較小直徑（<0.508 毫米）圓柱與設(shè)計特征相比，通常尺寸過大。最小直徑的圓柱體沒有在大多數(shù)構(gòu)建板上成型，<0.508 毫米的圓柱體也沒有在所有板上成功成型。原因被假設(shè)為凝固過程中的收縮以及不同尺寸圓柱體的散熱差異。最小的擠壓圓柱體直徑是熔池直徑的 1.4 倍，因此不能穩(wěn)定地僅使用 1-2 個單熔軌掃描進行穩(wěn)定生產(chǎn)。
傾斜墻雖然數(shù)據(jù)集的平均值符合設(shè)計值，但構(gòu)建板之間相比較的每個角度都存在輕微變化。

上圖顯示了傾斜墻與鋪粉機構(gòu)材質(zhì)的關(guān)系。鋼材質(zhì)是最常見的，總體變化小于其他類型，而軟材質(zhì)具有高可變性。碳材質(zhì)刀片和碳纖維刷的變化通常小于鋼。非接觸式偏向正偏差，這意味著角度大于 CAD 標稱值。



X 和 Y 距離測量值均顯示小于設(shè)計值，與標稱設(shè)計的平均值相差 130 &#181;m。這表明整個零件在 X 和 Y 維度上的收縮。構(gòu)建板的輕微翹曲不會影響先前討論的局部特征測量。然而對于X和Y距離，可能會受殘余應(yīng)力變形和不均勻收縮導(dǎo)致的翹曲影響。


較小的同心結(jié)構(gòu)同心度表現(xiàn)出較高的誤差，同心度測量也存在構(gòu)建板翹曲的影響。較小的構(gòu)建板翹曲會導(dǎo)致圓柱底部的輕微變化。使用參數(shù)（285 W，960 mm/s）的 Inconel 718 垂直構(gòu)建時，發(fā)現(xiàn)方格掃描圖案產(chǎn)生了更高的偏差，如構(gòu)建板 7 和 11 所示。方格（棋盤）圖案比條紋（線性）具有更高的粗糙度值。與條紋相比，方格掃描可以減少殘余應(yīng)力，但也取決于策略的細節(jié)。然而，自定義徑向輪廓掃描策略會影響整體板翹曲，進而影響同心度值。
工藝能力
所有距離測量的平均誤差為 &#8722;23.8 &#181;m（尺寸過小），標準偏差為 ±65 &#181;m，分布如下圖所示。

對于具有多個供應(yīng)商的設(shè)計人員，需要控制上限和下限（分別為 UCL 和 LCL）可能位于 +220/&#8722;260 &#181;m 附近，以捕獲除了最大異常值之外的所有異常值幾何偏差。雖然控制限值是每個零件的主觀公差，但了解正態(tài)分布準確捕捉幾何尺寸的誤差和可重復(fù)性是很有價值的。可以通過反轉(zhuǎn)自變量（標稱特征大?。┎⒊艘越^對平均誤差來計算每個近似誤差。標稱特征尺寸與百分比誤差的結(jié)果顯示在上圖中，其中包含通過上述方法計算的最佳擬合線。



三個特征尺寸的誤差為零，并直接標記在x軸上，否則包括所有測量值。最低特征尺寸限制為39&#8201;&#181;m，以提供更高的可視化逼真度。百分比誤差和特征尺寸之間的反向關(guān)系表明所有構(gòu)建板的精度存在系統(tǒng)誤差，這導(dǎo)致了幾何精度是否是由于構(gòu)建參數(shù)優(yōu)化的一般物理過程限制而導(dǎo)致的問題。
這種平均誤差計算從自由形式的誘導(dǎo)特征中排除了數(shù)據(jù)點，這將在后面討論。

根據(jù)等式計算平均值的置信區(qū)間 (CI) ，
其中 s 是標準偏差 (65 &#181;m)，n 是樣本數(shù)，z 是標準分數(shù)（標準偏差數(shù)）。

如上表所示，所有構(gòu)建板的平均誤差為 &#8722;23.8 ± 5.5 &#181;m，CI 為 99.9%。設(shè)計人員應(yīng)謹慎記住，平均誤差和再現(xiàn)性不會直接轉(zhuǎn)化為每個構(gòu)建板，并且誤差（均值和范圍）會有所不同（參見下圖）。

尺寸誤差的原因并不簡單。在公開的構(gòu)建參數(shù)中，沒有表明最佳組合的顯著差異。
如下圖所示，表面粗糙度，通常會參考層厚。無論是不同的鋪粉機構(gòu)還是掃描速度和激光功率的組合都沒有與尺寸偏差關(guān)系的明確指向。

上面討論的平均誤差不包括誘導(dǎo)輪偏差，因為沒有特征尺寸可供比較。與使用數(shù)字卡尺從掃描數(shù)據(jù)中測量的原始幾何形狀不同，誘導(dǎo)輪是通過將 3D 表面模型與理想化標稱 CAD 幾何形狀進行比較來評估的。合成的表面法線（離散點）決定偏差。所有機器配置的誘導(dǎo)輪設(shè)計偏差直方圖如下圖所示。

平均誤差和中值誤差分別為 -13.3 &#181;m 和 -21.3 &#181;m，并用虛線標記。中位數(shù)在平均誤差的 99.9% CI 范圍內(nèi)，而平均誤差超出 99.9% CI 的下限 -18.3 &#181;m。對這種偏差的可能解釋是，平均誤差基于原始幾何形狀（直徑、距離、角度、厚度），并不代表復(fù)雜的幾何形狀，局部擬合過程使平均值偏向零，或者 20 個任意選擇的點不足以代表復(fù)雜曲面的平均誤差。



結(jié)論

許多關(guān)鍵（即使是原始的）特征被納入了這個幾何特征構(gòu)建板。在設(shè)計和分析鎳基合金 Inconel 718 的 L-PBF，本研究結(jié)果可能會為工程師應(yīng)用實際公差或在設(shè)計階段早期調(diào)整設(shè)計模型提供基準。平均值和重現(xiàn)性的高置信度降低了不確定性，并消除了構(gòu)建多個樣本部件以提供集成的全局公差的需要。比如：
所有特征的工藝能力或系統(tǒng)平均公差為 23.8 ± 5.5 &#181;m，置信區(qū)間 (CI) 為 99.9%。因此，相對誤差隨著特征尺寸的增加而減小。


控制上限和下限（分別為 UCL 和 LCL）確定為 +220/-260 &#181;m。
尺寸為 0.10 mm的特征無法構(gòu)建薄壁、圓體和槽。
尺寸為 0.20 mm的特征無法構(gòu)建水平孔。
尺寸為 0.20 mm的特征對于薄壁、槽和圓柱具有高尺寸差異。
與軟材質(zhì)、碳纖維、碳刷、非接觸式鋪粉機構(gòu)相比，鋼材質(zhì)條件下傾斜墻的偏差更小。


30 &#181;m 層厚展示了生產(chǎn)薄壁的能力，盡管比標稱設(shè)計厚。50 &#181;m 和非接觸式鋪粉機夠也展示了構(gòu)建薄壁的能力。


所有幾何特征、距離和表面都包含與設(shè)計目標的差異。確定了單個特征構(gòu)建板的處理能力，但未顯示與機器硬件配置或掃描策略的明顯相關(guān)性，并歸因于系統(tǒng)可變性?？淄ǔ１仍O(shè)計的小，這可能有利于經(jīng)過后處理以進行表面光潔度細化（拋光）的零件。由于浮渣的形成，水平孔總是尺寸過小。對于單個機器配置，豎孔的尺寸過大或過小是一致的，如果在設(shè)計過程中考慮到這一點，則可以制造出精確的零件。如同心度、平行度和垂直度變化最大為 0.20 mm。與圓孔一樣，方形通道的打印尺寸小于設(shè)計尺寸。當零件從其構(gòu)建板上移除時，可能會出現(xiàn)全局變形。


局部幾何公差不受構(gòu)建參數(shù)的各種配置（即激光功率、掃描速度、層厚、掃描間距、鋪粉機類型或核心掃描策略）的影響。構(gòu)建板的全局變形受輪廓（收尾）掃描策略的影響，這是一個未知的參數(shù)，需要進一步研究。

來源：增材研究

3D打印批量生產(chǎn)，特別是不同供貨商批量生產(chǎn)，能否保證零件精確一致？當設(shè)備、粉末、工藝都接近時，人的因素到底會產(chǎn)生多大的差別？目前3D打印的平均制造能力如何？美國宇航局馬歇爾太空飛行中心的一項研究引起了“增材研究”的關(guān)注。他們尋找了14家增材制造服務(wù)商，給了相同的STP文件、按照相同的設(shè)計要求在15臺設(shè)備上打印了16套復(fù)雜部件。

按照設(shè)計要求，部件是一塊140mm* 140mm*31.8mm的構(gòu)建板，板上包含不同角度的薄壁、孔、圓柱體、方形通道、曲面和槽等。采用的合金粉末統(tǒng)一為鎳基合金Inconel 718。3D打印方式為激光粉末床熔合 (L-PBF)。

構(gòu)建板結(jié)構(gòu)特征命名如上圖，實物圖如下（構(gòu)建板銅色為拍攝光線影響，“增材研究”勸您不要糾結(jié)）

結(jié)構(gòu)特征實物如下圖

3D打印的相同 STP 文件提供給 14 家增材制造服務(wù)商，如下表所列。服務(wù)商12 使用兩臺同一型號設(shè)備生產(chǎn)兩套構(gòu)建板，服務(wù)商 10 在不同的機器上生產(chǎn)兩套構(gòu)建板。

3D打印完成后，構(gòu)建板均在 1066 °C 下消除應(yīng)力 90 分鐘，并根據(jù) ASTMF3055–14a]在爐內(nèi)（緩慢）冷卻。構(gòu)建板在應(yīng)力消除和從基板板上移除后沒有噴砂或其他加工操作，交付給美國宇航局馬歇爾太空飛行中心進行評估。如下圖

每個特征結(jié)構(gòu)尺寸偏差測量方式如下表

水平孔
設(shè)計有有八個水平孔(HH-x)，但大多數(shù)僅生成四個大于 0.51 mm的較大孔（HH-2、HH-4、HH-6、HH-8）。

四個較大水平孔的偏差范圍為0.18-0.20 mm，隨著孔直徑的增加，平均偏差呈下降趨勢，這意味著孔更接近設(shè)計的公稱直徑。紅色圓圈代表16組數(shù)據(jù)的平均值，水平孔的偏差小于預(yù)期的設(shè)計標稱。異常值用紅色三角形顯示。所有孔的針規(guī)測量值均低于目標尺寸。



豎孔

設(shè)計有八個豎孔（VH-x），直徑從0.20到4.1&#8201;mm，以確定打印最小孔直徑和尺寸差異。在16套構(gòu)建板中，沒有成功打印出0.20mm的豎孔，0.30mm的一個，0.41mm的六個，0.51mm的孔九個。所有孔的針規(guī)測量值均低于目標尺寸。

重復(fù)豎孔
在構(gòu)建板上打印了兩組重復(fù)的豎孔（RH-x），用以對比重復(fù)打印精確性。重復(fù)豎孔的平均誤差小于 10 &#181;m。對于 2.0 mm和 3.8mm直徑的孔，大多數(shù)都達到或低于標稱尺寸，如下圖a所示。與標稱尺寸的偏差如下圖  b 所示。實線（帶淺藍色四分位數(shù)）表示通過結(jié)構(gòu)光掃描（SLS）進行的測量，虛線（帶淺黃色四分位數(shù)的）表示通過針規(guī)（PG）進行的測試。紅色圓圈表示數(shù)據(jù)集的平均值，中間值由最寬的水平線表示。第1和第3四分位數(shù)為+25/-50&#8201;μm的設(shè)計孔徑，平均值和中值均低于目標值，如圖b所示。每個構(gòu)建板包含七個200μm直徑的孔和六個500μm直徑孔，分別總計112個和96個數(shù)據(jù)點。兩種孔誤差范圍為±&#8201;75&#8201;&#181;m。

下圖顯示了不同服務(wù)商打印的重復(fù)孔。無論孔尺寸如何，每種機器配置的偏差方向（即尺寸過大或尺寸過?。┒际且恢碌摹C器配置比孔尺寸對設(shè)計目標的絕對誤差影響更大。

圓柱
在每個構(gòu)建板打印出八個垂直圓柱體（EC-x）。構(gòu)建失敗僅發(fā)生在 100 &#181;m 以下的小直徑圓柱體上，直徑大于 100 &#181;m 的圓柱體制造成功率為 100%。小直徑圓柱體的平均值和中值高于設(shè)計目標，而大直徑圓柱體的平均值和中值等于或低于設(shè)計目標，并且絕對誤差小于小直徑圓柱體。


小直徑圓柱體（低于 50 &#181;m）非常脆弱，略有彎曲。目前尚不清楚這些彎曲是否是由于運輸和搬運造成的損壞或打印過程造成的。不管怎樣，圓柱體的這些彎曲變形并不構(gòu)成失敗，總直徑仍然可以測量，并被認為是成功打印的。更小直徑圓柱體沒有成功構(gòu)建。如下圖所示，其中紅色圓圈表示平均值，寬水平條表示中值，每列的標稱值都帶有陰影。除非另有標記，否則所有列均由 16 個數(shù)據(jù)點組成。

槽
構(gòu)建槽（SL-x）以確定竣工寬度的準確性并確定最小的可行特征尺寸。槽(SL-1) 寬為 10 &#181;m 時會出現(xiàn)部分橋接或高粗糙度（呈現(xiàn)閉合外觀），并被歸類為失敗構(gòu)建。使用針規(guī)試圖獲取 SL-1 槽寬度的數(shù)據(jù)，但沒有提供除結(jié)構(gòu)光之外的任何其他數(shù)據(jù)。針規(guī)垂直和平行于槽長度插入，以確保測量方法的可重復(fù)性。只有 25% 的第二小槽 (20 &#181;m) 成功構(gòu)建而沒有橋接或閉合外觀。對于第三小的槽 (38 &#181;m)，只有一次構(gòu)建失敗。對于六個最大的槽（SL-3 到 SL-7），平均偏差差為 ±7.5 &#181;m。偏差范圍為 +69 &#181;m/&#8722;84 &#181;m。

方形通道
測量各種尺寸的方形通道寬度和高度，對比了兩組相鄰的通道以顯示單個構(gòu)建中的可重復(fù)性。偏差的初步分析并未表明通道高度和寬度之間存在顯著差異。大于 100 &#181;m 的通道范圍通常為 125 &#181;m +50/&#8722;75 &#181;m。偏差數(shù)據(jù)表明，少數(shù)通道顯示了更大的偏差范圍，但這是基于單個板的更高偏差。平均長度（高度和寬度）整體尺寸偏小，中值偏差通常為 25 &#181;m。對于小于或等于 100 &#181;m 的通道尺寸，任一方向的偏差都會增加。打印失?。ㄓ捎诿芊猓﹥H發(fā)生在最小通道尺寸小于50 &#181;m 的情況下。此通道尺寸的 16 個打印中只有 9 個打印成功。

曲面
設(shè)計誘導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)的目的是測量不斷變化的復(fù)雜表面并將其與標稱 CAD 模型進行比較。懸垂角度最大為 45°。此結(jié)構(gòu)具有 50.8 mm直徑的底座，高度為 20 mm，并且直徑隨著高度的增加而減小。與標稱 CAD 幾何形狀相比，誘導(dǎo)輪曲面的擬合很好。

在同一位置的每個表面上比較了 20 個離散點。從誘導(dǎo)葉片表面的頂部（較小直徑）開始（點 1），到誘導(dǎo)表面與底板相交處結(jié)束（點 20）。這些點是隨機放置的，但對于每個構(gòu)建板機器配置都是相同的。數(shù)據(jù)收集過程是自動化的，并以表格形式進行比較。所有構(gòu)建板與標稱值的平均偏差為 13 &#181;m，中值為 20 &#181;m。在所有離散點上觀察到的總范圍為 381 &#181;m。在該數(shù)據(jù)中沒有觀察到異常值。

根據(jù)收集數(shù)據(jù)的位置進一步的評估。這些點為標簽1至20，如下圖所示。前14個離散點的數(shù)據(jù)平均值為±&#8201;51&#8201;&#181;m，范圍約為178&#8201;μm。

在所有機器配置中，低于標稱值的相對偏差均位于同一區(qū)域（如下實物圖）。因為隨著螺旋變細，點14至20向上傾斜，所以假設(shè)構(gòu)建板變形是一個促成因素。此外，隨著點接近構(gòu)建板，變化范圍增加。

全局擬合



下圖顯示構(gòu)建板的全局擬合情況，用以研究構(gòu)建板變形引起的誤差，并專注于誘導(dǎo)輪自由曲面的幾何形狀對齊。掃描數(shù)據(jù)和標稱設(shè)計 CAD 數(shù)據(jù)之間的 3D 比較以確定偏差。相對偏差被報告為表面法線。由于復(fù)雜表面的性質(zhì)，這是使用此方法進行比較的研究中的唯一特征。與局部最佳擬合的比較相比，誘導(dǎo)輪變化大大減少。

薄壁
薄壁（WT-X）特征設(shè)計為寬度為 0.10 至 2.0mm。下圖 (a)的第一列 (WT-1)顯示 16 個構(gòu)建板中的 12 個數(shù)據(jù)，因為并非所有構(gòu)建板都成功構(gòu)建薄壁(WT-1)。大多數(shù)薄壁都是部分建造或完全倒塌的；部分構(gòu)建的厚度數(shù)據(jù)是根據(jù)可用薄壁的局部區(qū)域獲得的。失敗發(fā)生在最小的兩個壁寬（0.10、0.20 mm）上。只有四家服務(wù)商成功打印了各種尺寸的垂直薄壁。為了更好地表示普遍成功構(gòu)建的偏差，從結(jié)果中移除了卷曲和打印失敗的薄壁（圖b）。

所有設(shè)備打印的壁厚為 0.10 和 0.20 mm薄壁實物如下圖，顯示了部分和不完整的構(gòu)建。

其中成功構(gòu)建的薄壁，偏差范圍在 +178/&#8722;152 &#181;m 之間，平均值在 0 到 25 &#181;m 之間。似乎只有四臺設(shè)備成功構(gòu)建了 0.010 毫米的壁，分別為構(gòu)建板 7、10、11、12。其中，兩套構(gòu)建板上薄壁的實際壁厚設(shè)計厚度的兩倍，另外兩套是三倍。對于 WT-2（0.20 毫米標稱壁厚），平均尺寸比標稱厚 25%，有12個成功構(gòu)建。所有其它薄壁（WT-3 到 WT-7）的平均值在標稱設(shè)計的范圍內(nèi)。



傾斜墻

傾斜墻（ANG-X）包含五個獨立的墻，它們與垂直方向成 45、50、60、75 和 90 度，以確定相對于其構(gòu)建板底座的角度精度。打印角度與誤差的增加或減少無關(guān)，如下圖所示。

所有角度偏差平均范圍為 0.574°，總體偏差小于 0.15%?？傮w而言，零件角度略大于設(shè)計值。全部構(gòu)建板上45度傾斜墻是唯一全部角度低于目標的，與標稱設(shè)計的平均誤差為 0.43%。



X 和 Y 距離

在構(gòu)建板X邊和Y邊各打印一組立方體，以便分別測量立方體間距（XD-X和YD-X）的精確度。兩種距離的相對偏差隨著距離的增加而減小。X方向的標準偏差為50&#8201;&#181;m，Y方向為75&#8201;&#8201;&#181;m。兩個方向的平均距離始終小于標稱設(shè)計值。

Y 距離的偏差大于 X 距離的誤差。X 和 Y 距離測量偏差如下圖所示，數(shù)據(jù)采集取用 IQR 方法。
將四分位數(shù)的范圍限制為 1.5 IQR，表明 Y 距離數(shù)據(jù)集包含五個異常值，其中四個擴大了范圍。

下圖 (a) 繪制了作為標稱距離函數(shù)的偏差。這表明偏差隨著距離的減小而增加，這與本研究的其他數(shù)據(jù)一致。雖然此圖可能表明 Y 距離總體上傾向于有更多偏差，但如果考慮異常值，則差異很小。X 和 Y 距離誤差在圖(b)中直接進行了比較。如果偏差最小化，殘差應(yīng)該在線上分布。數(shù)據(jù)略微落在線的上方或左側(cè)，表明來自 Y 距離的偏差。

平行度和垂直度
對X邊和 Y邊的平行度（PA-X、PA-Y）和垂直度（PERP）進行了測量。Y 方向在 91 &#181;m 處的平行度略低，而 X 方向為 114 &#181;m。垂直度是從平面粗糙度區(qū)域附近的 X 和 Y 方向的內(nèi)表面測量的（下圖用橙色顯示）。

垂直同心孔
每個構(gòu)建板收集了六組垂直同心孔（CON-X）數(shù)據(jù)。垂直同心孔內(nèi)具有大小不同的圓柱結(jié)構(gòu)，如下圖。

CON-1 和CON-1 顯示 71 &#181;m 的錯位，CON-3 和CON-4顯示 53 &#181;m。CON-5（內(nèi)部到內(nèi)部）觀察到的同心度為 18 &#181;m，CON-6 為 24 &#181;m。在所有數(shù)據(jù)中觀察到的平均同心度為 48 &#181;m。



雖然這些值之間的相差 2-3 倍，但所有情況下的平均絕對偏差都很低且不超過 76 &#181;m。同心度偏差的范圍隨著零件尺寸的增加而減小，這并不是由于整體制造中的系統(tǒng)誤差造成的。


基于設(shè)備的同心度數(shù)據(jù)如下圖所示。7、11 和 15 顯示最大偏差。

同心空心圓柱體
兩個同心空心圓柱體（如上圖CON5、CON6）用以測量同心度，內(nèi)徑（7.5 和 15 mm）,外徑（10 和 20 mm）。內(nèi)徑的絕對平均誤差小于 25 &#181;m，與重復(fù)豎孔（RH-x）的值相似。外徑的絕對平均誤差在 25 到 37 &#181;m 之間。雖然所有直徑（無論內(nèi)徑還是外徑）的絕對平均誤差和中值誤差始終在 0 到 50 &#181;m 之間，但總誤差范圍隨著直徑的增加而增加，如下圖。

過程控制



零件生產(chǎn)的可重復(fù)性（即，從單個機器復(fù)制零件）是增材制造和工業(yè)化的一個重點，但本研究重點側(cè)重于整體增材制造服務(wù)商生產(chǎn)一系列特征零件的精度水平。


在供應(yīng)鏈中，粉末化學(xué)成分是第一個要考慮的變量。本研究中雖然各服務(wù)商粉末成分略有差異，但所有粉末均符合ASTM Inconel 718規(guī)范。略微的差異可能會影響微觀結(jié)構(gòu)，從而影響冶金性能。然而不會影響本研究的重點，尺寸偏差。


掃描策略對殘余應(yīng)力（其中主應(yīng)力平行于掃描矢量）有顯著影響。殘余應(yīng)力具有復(fù)合效應(yīng)，受掃描策略的強烈影響，并且是構(gòu)建板整體變形的原因。當前的研究是在完成了應(yīng)力釋放和從構(gòu)建板上移除之后進行的，否則變形可能會影響測量結(jié)果。從制造的角度來看，掃描策略等過程可能具有競爭性，此類信息通常并不總是提供給客戶（或研究人員）。


在 16 個構(gòu)建板中，掃描策略分為三類——條紋、方格、不確定。只有一個構(gòu)建板是不確定的，兩種使用的方格策略，其余的使用條紋掃描策略。盡管掃描策略和失真預(yù)期相似，但三個構(gòu)建板（2、9 和 15）是異常的（參見前文全局擬合圖片）。


構(gòu)建板 2 和 9 的服務(wù)商沒有提供激光功率或掃描速度，唯一可用的信息是掃描策略和鋪粉機構(gòu)材質(zhì)。構(gòu)建板 8 和 14 與 2 和 9 具有相同的掃描策略和鋪粉機構(gòu)材質(zhì)，但變形較小。板 15（高度變形）和 16（輕微變形）的構(gòu)建參數(shù)具有相似性，但在變形方面存在重大差異。兩個構(gòu)建板（15 和 16）之間的差異是輪廓（收尾）掃描。雖然核心掃描策略（掃描路徑策略、掃描策略或填充圖案）經(jīng)常在文中引用，但輪廓（收尾）掃描策略不是。構(gòu)建板 15 使用自定義參數(shù)集來設(shè)置最終的頂面輪廓（與相同的核心掃描策略不同），它具有圓形紋理并成為偏差的原因。


為避免將偏差的原因概括為輪廓掃描策略的函數(shù)，還有一些注意事項。首先，應(yīng)力消除處理雖指定了統(tǒng)一的加熱和冷卻速率，但熱處理設(shè)備的尺寸和能力各不相同。尚不清楚某些服務(wù)商是否在緩慢冷卻期間過早地從熔爐中取出零件（可能是板 2 和 9 與 8 和 14），并且假設(shè)是善意的。此外，基板厚度會對幾何形狀產(chǎn)生影響，當前研究中的基板厚度最小為 18 mm，最大為 32 mm。


雖然大多數(shù)板的總變形在±0.127 mm以內(nèi)，但構(gòu)建板 15 的最嚴重翹曲僅為 0.635 mm，增加的翹曲與掃描策略相關(guān)，該策略基于最終向上的圓形填充圖案——輪廓掃描。雖然相對于選擇的特征尺寸有明顯的失真，但全局失真數(shù)據(jù)未被統(tǒng)計在此前的分析。


如果服務(wù)商不披露過程控制，例如上面討論的最終頂面的輪廓（收尾）掃描策略，就不可能準確說明整體板幾何變形（或微觀結(jié)構(gòu)差異）的非常具體的原因。應(yīng)力消除工藝納入供應(yīng)鏈的一部分也至關(guān)重要。否則，特征和過程能力評估數(shù)據(jù)可能無效。


偏差分析

構(gòu)建板特征結(jié)構(gòu)，包括重復(fù)豎孔在內(nèi)的偏差沒有顯著差異。雖然不同構(gòu)建板的特征重復(fù)性相差近 200 &#181;m，但單個構(gòu)建板的重復(fù)偏差平均測量值在25 &#181;m 以內(nèi)。
重復(fù)孔、可變尺寸的豎孔和可變尺寸的水平孔在所有構(gòu)建板上顯示出相似的幾何偏差再現(xiàn)性。雖然構(gòu)建參數(shù)和硬件配置可能不同，但與根本原因或最佳設(shè)置相比存在微不足道的差異。微小的過程變化是對系統(tǒng)誤差的合理解釋，但總體結(jié)果具有可比性。


水平孔的結(jié)果符合預(yù)期并與現(xiàn)有文獻相符。大多數(shù)直徑低于 0.508 mm的孔都沒有成功構(gòu)建，懸垂熔渣往往會減少總面積。這種熔渣是由于激光穿透未熔化的粉末，隨后局部熔化和固化多余材料。大多數(shù)水平孔中都觀察到熔渣。

上圖顯示了表面光潔度情況，這可能與L- PBF 過程中的飛濺和熱處理氧化有關(guān)。
方形通道和槽在大多數(shù)情況下都成功構(gòu)建，盡管平均小于設(shè)計標稱尺寸。方形通道的絕對數(shù)據(jù)和與標稱值的偏差并未表明高度（Y 軸）和寬度（X 軸）之間存在顯著差異。通道之間存在一些可變性，隨著通道尺寸的減小，相對誤差和絕對誤差都會增加。所有通道誤差在 3% 以內(nèi)且不超過 10%，需要納入零件設(shè)計考慮范圍，否則可能導(dǎo)致流量不均。

上圖表示標準偏差和假設(shè)控制限的幾何特征再現(xiàn)性誤差分布

上圖為比較方形通道寬度和高度的標稱距離的誤差。
只有四個 WT-1 薄壁（0.1 毫米）被成功生產(chǎn)，盡管比標稱設(shè)計厚。其中三個3D打印中層厚設(shè)置30 &#181;m，另外一個層厚設(shè)置50 &#181;m。其中兩個構(gòu)建板薄壁機構(gòu)使用方格掃描策略。最薄的壁 WT-1 使用單個掃描矢量（單條熔軌），而 WT-2 使用三個掃描矢量（三條熔軌寬）。證明 Inconel 718 在L-PBF 設(shè)備可以制造 0.1 mm 薄壁，但需要單條熔軌。薄壁結(jié)構(gòu)比設(shè)計厚度大是由于工藝不穩(wěn)定以及由于粉末中的延遲散熱導(dǎo)致熔池尺寸增加。


較小直徑（<0.508 毫米）圓柱與設(shè)計特征相比，通常尺寸過大。最小直徑的圓柱體沒有在大多數(shù)構(gòu)建板上成型，<0.508 毫米的圓柱體也沒有在所有板上成功成型。原因被假設(shè)為凝固過程中的收縮以及不同尺寸圓柱體的散熱差異。最小的擠壓圓柱體直徑是熔池直徑的 1.4 倍，因此不能穩(wěn)定地僅使用 1-2 個單熔軌掃描進行穩(wěn)定生產(chǎn)。
傾斜墻雖然數(shù)據(jù)集的平均值符合設(shè)計值，但構(gòu)建板之間相比較的每個角度都存在輕微變化。

上圖顯示了傾斜墻與鋪粉機構(gòu)材質(zhì)的關(guān)系。鋼材質(zhì)是最常見的，總體變化小于其他類型，而軟材質(zhì)具有高可變性。碳材質(zhì)刀片和碳纖維刷的變化通常小于鋼。非接觸式偏向正偏差，這意味著角度大于 CAD 標稱值。



X 和 Y 距離測量值均顯示小于設(shè)計值，與標稱設(shè)計的平均值相差 130 &#181;m。這表明整個零件在 X 和 Y 維度上的收縮。構(gòu)建板的輕微翹曲不會影響先前討論的局部特征測量。然而對于X和Y距離，可能會受殘余應(yīng)力變形和不均勻收縮導(dǎo)致的翹曲影響。


較小的同心結(jié)構(gòu)同心度表現(xiàn)出較高的誤差，同心度測量也存在構(gòu)建板翹曲的影響。較小的構(gòu)建板翹曲會導(dǎo)致圓柱底部的輕微變化。使用參數(shù)（285 W，960 mm/s）的 Inconel 718 垂直構(gòu)建時，發(fā)現(xiàn)方格掃描圖案產(chǎn)生了更高的偏差，如構(gòu)建板 7 和 11 所示。方格（棋盤）圖案比條紋（線性）具有更高的粗糙度值。與條紋相比，方格掃描可以減少殘余應(yīng)力，但也取決于策略的細節(jié)。然而，自定義徑向輪廓掃描策略會影響整體板翹曲，進而影響同心度值。
工藝能力
所有距離測量的平均誤差為 &#8722;23.8 &#181;m（尺寸過小），標準偏差為 ±65 &#181;m，分布如下圖所示。

對于具有多個供應(yīng)商的設(shè)計人員，需要控制上限和下限（分別為 UCL 和 LCL）可能位于 +220/&#8722;260 &#181;m 附近，以捕獲除了最大異常值之外的所有異常值幾何偏差。雖然控制限值是每個零件的主觀公差，但了解正態(tài)分布準確捕捉幾何尺寸的誤差和可重復(fù)性是很有價值的。可以通過反轉(zhuǎn)自變量（標稱特征大?。┎⒊艘越^對平均誤差來計算每個近似誤差。標稱特征尺寸與百分比誤差的結(jié)果顯示在上圖中，其中包含通過上述方法計算的最佳擬合線。



三個特征尺寸的誤差為零，并直接標記在x軸上，否則包括所有測量值。最低特征尺寸限制為39&#8201;&#181;m，以提供更高的可視化逼真度。百分比誤差和特征尺寸之間的反向關(guān)系表明所有構(gòu)建板的精度存在系統(tǒng)誤差，這導(dǎo)致了幾何精度是否是由于構(gòu)建參數(shù)優(yōu)化的一般物理過程限制而導(dǎo)致的問題。
這種平均誤差計算從自由形式的誘導(dǎo)特征中排除了數(shù)據(jù)點，這將在后面討論。

根據(jù)等式計算平均值的置信區(qū)間 (CI) ，
其中 s 是標準偏差 (65 &#181;m)，n 是樣本數(shù)，z 是標準分數(shù)（標準偏差數(shù)）。

如上表所示，所有構(gòu)建板的平均誤差為 &#8722;23.8 ± 5.5 &#181;m，CI 為 99.9%。設(shè)計人員應(yīng)謹慎記住，平均誤差和再現(xiàn)性不會直接轉(zhuǎn)化為每個構(gòu)建板，并且誤差（均值和范圍）會有所不同（參見下圖）。

尺寸誤差的原因并不簡單。在公開的構(gòu)建參數(shù)中，沒有表明最佳組合的顯著差異。
如下圖所示，表面粗糙度，通常會參考層厚。無論是不同的鋪粉機構(gòu)還是掃描速度和激光功率的組合都沒有與尺寸偏差關(guān)系的明確指向。

上面討論的平均誤差不包括誘導(dǎo)輪偏差，因為沒有特征尺寸可供比較。與使用數(shù)字卡尺從掃描數(shù)據(jù)中測量的原始幾何形狀不同，誘導(dǎo)輪是通過將 3D 表面模型與理想化標稱 CAD 幾何形狀進行比較來評估的。合成的表面法線（離散點）決定偏差。所有機器配置的誘導(dǎo)輪設(shè)計偏差直方圖如下圖所示。

平均誤差和中值誤差分別為 -13.3 &#181;m 和 -21.3 &#181;m，并用虛線標記。中位數(shù)在平均誤差的 99.9% CI 范圍內(nèi)，而平均誤差超出 99.9% CI 的下限 -18.3 &#181;m。對這種偏差的可能解釋是，平均誤差基于原始幾何形狀（直徑、距離、角度、厚度），并不代表復(fù)雜的幾何形狀，局部擬合過程使平均值偏向零，或者 20 個任意選擇的點不足以代表復(fù)雜曲面的平均誤差。



結(jié)論

許多關(guān)鍵（即使是原始的）特征被納入了這個幾何特征構(gòu)建板。在設(shè)計和分析鎳基合金 Inconel 718 的 L-PBF，本研究結(jié)果可能會為工程師應(yīng)用實際公差或在設(shè)計階段早期調(diào)整設(shè)計模型提供基準。平均值和重現(xiàn)性的高置信度降低了不確定性，并消除了構(gòu)建多個樣本部件以提供集成的全局公差的需要。比如：
所有特征的工藝能力或系統(tǒng)平均公差為 23.8 ± 5.5 &#181;m，置信區(qū)間 (CI) 為 99.9%。因此，相對誤差隨著特征尺寸的增加而減小。


控制上限和下限（分別為 UCL 和 LCL）確定為 +220/-260 &#181;m。
尺寸為 0.10 mm的特征無法構(gòu)建薄壁、圓體和槽。
尺寸為 0.20 mm的特征無法構(gòu)建水平孔。
尺寸為 0.20 mm的特征對于薄壁、槽和圓柱具有高尺寸差異。
與軟材質(zhì)、碳纖維、碳刷、非接觸式鋪粉機構(gòu)相比，鋼材質(zhì)條件下傾斜墻的偏差更小。


30 &#181;m 層厚展示了生產(chǎn)薄壁的能力，盡管比標稱設(shè)計厚。50 &#181;m 和非接觸式鋪粉機夠也展示了構(gòu)建薄壁的能力。


所有幾何特征、距離和表面都包含與設(shè)計目標的差異。確定了單個特征構(gòu)建板的處理能力，但未顯示與機器硬件配置或掃描策略的明顯相關(guān)性，并歸因于系統(tǒng)可變性?？淄ǔ１仍O(shè)計的小，這可能有利于經(jīng)過后處理以進行表面光潔度細化（拋光）的零件。由于浮渣的形成，水平孔總是尺寸過小。對于單個機器配置，豎孔的尺寸過大或過小是一致的，如果在設(shè)計過程中考慮到這一點，則可以制造出精確的零件。如同心度、平行度和垂直度變化最大為 0.20 mm。與圓孔一樣，方形通道的打印尺寸小于設(shè)計尺寸。當零件從其構(gòu)建板上移除時，可能會出現(xiàn)全局變形。


局部幾何公差不受構(gòu)建參數(shù)的各種配置（即激光功率、掃描速度、層厚、掃描間距、鋪粉機類型或核心掃描策略）的影響。構(gòu)建板的全局變形受輪廓（收尾）掃描策略的影響，這是一個未知的參數(shù)，需要進一步研究。

來源：增材研究