2024年设备能⼒研究白皮书

设备能⼒研究 EOS M 290 & EOS Titanium Ti64ELI 本⽩⽪书给出了以下问题的答案： EOS M 290 与 EOS Titanium Ti64ELI 在密度、拉伸特性、⼏何精度和表⾯粗糙度⽅⾯的性能 使⽤EOS Titanium Ti64ELI 和 EOS 60 μm DMLS⼯艺时预期的零部件特性 分析不同材料批次及试样位置对拉伸特性的影响 ⽬录 批量⽣产⾥程碑：验证⽅法结果与讨论结论与应⽤前景34614 34566789101213图 1图 2图 3图 4图 5图 6图 7图 8图 9图 10图 11EOS Additive Minds 实施的 AM 验证基准模型设备能⼒研究的流程图采⽤4x4 矩阵的机器能⼒作业布局以及在每个⼦单元中进⾏分析的试样密度的⼯艺能⼒直⽅图三个材料批次的密度测量结果热处理拉伸测试的要求与能⼒值热处理试样的拉伸测试取决于成型基板位置的热处理拉伸特性⼏何精度的现成样品⼯艺能⼒Ra、Rz 粗糙度的能⼒直⽅图EOS M 290 机器能⼒研究的粗糙度值 批量⽣产⾥程碑：验证 理解并掌控制造设备的性能（即在既定规 格 限 制 下 的⼯艺 稳 定 性 和⼯艺 位置），这⼀点⾮常重要。制造商可以将机器能⼒研究结果纳⼊验证程序中。我们利⽤各种质量⼯具和⽂档确保了本研究数据的可靠性，这意味着这些数据可以作为增材制造机器⽤⼾的参考基准，从⽽缩短验证⼯作的时间并降低相关成本。 ⽆论是哪个⾏业，将机器投⼊运⾏的流程都是相似的，⽣产设备验证正是其中⼀环。增材制造领域也不例外。 通过⼯⼚验收试验 (FAT) 后，机器将安装 在 客⼾的 设 施 中 。 随 后 的 安 装 验 证(IQ) 旨在确保安全功能等基本功能在适⽤的安装条件下处于就绪状态并能正常发挥作⽤。接下来，操作验证 (OQ) 将验证机器及相应的制造⼯艺能否⽣产出符合既定规格的测试样品和零部件。在进⼊批量⽣产之前，这是⼗分重要的⼀步。在最终步骤中，性能验证 (PQ) 可评估在既定⼯艺限制条件内⽣产特定零部件的能⼒。 本⽩⽪书摘录了 EOS 公司内部全⾯机器能⼒研究的部分内容。 ⽅法 在所有必要的⽂档都已准备就绪的情况下，我们进⾏了机器能⼒研究。为了评估结果在⽣产环境中的可重现性，我们采⽤了多种不同的质量评估⽅法。 保持物料流、⽣产流、审批流和测试流程的透明性有助于揭⽰任何潜在的处理错误。 最后，我们必须将所有可能的⻛险都考虑在内，并在必要时，在批量⽣产开始之前就采取并实施相应的应对措施。 例如，我们制定了⼀张详细的流程图来模拟⼯作流程，并对所有操作程序达成了共识，这为⻛险分析和降低⻛险提供了基础。 为了进⾏机器能⼒分析，我们开发了⼀种特殊布局，该布局由 16 个⼦单元组成，以 4x4 矩阵形式分布在整个成型基板上。每个⼦单元包含不同的试样，例如拉伸棒、致密性试验块和⼏何精度零部件，如图 3 所⽰。此外，我们按照⽔平和垂直两种不同的⽅向制造了拉伸试样。该布局采⽤三种不同的粉末批次，每种批次重复三次，共计 9 个作业。使⽤多 个 粉 末 批 次 可 以 提 供 关 于 材 料 组成、粒度分布等潜在的依赖性信息。 除流程图之外，我们针对样品制造和测试能⼒分析中所涉及的不同流程步骤进⾏了⻛险 评 估 ， 并 对 此 进⾏了 详 细 记录。我们创建了 P-FMEA 来记录样品⽣产过程中的潜在故障⻛险、严重程度、发⽣频率、可检测性、缓解措施和控制⽅式。我们对⻛险及其影响以及发⽣概率进⾏了分析，并制定了缓解措施以尽可能降低⻛险。我们在⼯作说明和检查清单中明确了⾏动事项，以确保其得到妥善执⾏。 在本次机器能⼒研究中，EOS M 290 系统通过了 FAT 和 IQ，并且在没有进⾏任何光束偏移调整的情况下顺利完成了成型作业。该机器根据 EOS M 290 参数表“材料与系统硬件的兼容性”进⾏了设置。在作业成型期间，我们跟踪了温 度 和 湿 度 等 环 境 条 ， 确 保 它 们 符 合EOS M 290 的安装条件。 必须满⾜苛刻的医疗标准。除了对⾼质量的追求，业界对于更⾼⽣产效率的⼯艺需求也在⽇益增⻓。为了贴近现有的EOS DMLS⼯艺并满⾜对更⾼⽣产效率的需求，我们使⽤了层厚为 60 μm、成型 速 度 达 9 mm³/s 的Ti64 SpeedParameterSet，并且未对参数进⾏任何修改。⼀家经认证的航空服务提供商在 800°C 的真空条件下对⼀半的拉伸试样进⾏了 2⼩时的热处理。⼀家获得航空认证的外部实验室对拉伸、密度和表⾯粗糙度进⾏了测试。 钛是对质量要求较为严苛的⾏业中使⽤最为⼴泛的材料；特别是在⼈体植⼊物中使⽤的 Ti-6Al-4V ELI（超低间隙）， 结果与讨论 密度1 根据 ISO3369，基于 144 个致密性试验块样本的密度测量平均值为 4.41g/cm³，标准差为 0.0018 g/cm³。在考虑批次、作业和位置的情况下，我们对测量平均值进⾏了分析。未观察到位置依赖性。结果显⽰，粉末批次的依赖性极⼩，我们认为这是由于不同批次之间的化学成分存在差异所造成的。同时，我们还对密度值最低和最⾼的样品进⾏了深⼊的⾦相学研究。没有观察到密度值与孔隙率之间的相关性，最⼤孔隙率⽔平 <0.02 %。这些结果证实密度差异在测量不确定性范围之内。 拉伸测试1 我们使⽤回归模型分析了抗拉/屈服强度与延展性之间的相关性，并使⽤这些模型计算了这些机械特性的最⼤值。这些结果基于 288 个经过热处理和 288 个现成的拉伸试棒样品得出。然⽽，现成样 品的 机 械 特 性 超 出 了 本⽩⽪书 的 范围。 拉 伸 测 试 是根 据 ISO 6892 和 ASTME8M 执⾏的。对试样进⾏加⼯，使其直径 为 5 mm ， 初 始⻓度 为 25 mm 。ASTM F3001 规 范 定 义 了 AM-Ti6Al4VELI 的最低要求，ASTM F136 定义了锻制外科植⼊体的最低要求。尽管如此，这些属性的上限尚未设定。我们开发了⼀种新⽅法，依据⼯程材料的著名原理来定义每项属性的上限：“强度越⾼，延展性越低，反之亦然”。我们基于依据现成样品和热处理样品数据推导出的模型，计算出了抗拉强度与屈服强度的最⼤值。 拉伸特性展现出极佳的可重现性，各项结果的差异极⼩。例如，拉伸强度的标准差为 8.1 MPa，远低于⾏业公认的⾦属材料拉伸强度范围100 MPa。 拉伸特性的批次依赖性1 拉伸特性的⽅向依赖性1 根据单向 ANOVA 假设检验，各批次在抗拉强度、屈服强度、伸⻓率和断⾯缩减率等⽅⾯的平均值并不⼀致。由于⾦属粉末批次之间的化学成分存在差异，因此机械特性可能会存在⼀定程度的差异。尽管如此，不同批次的平均值差异仍然处于测量不确定性范围之内，证明不同材料批次的机械特性保持稳定。 热处理试样的抗拉强度平均值表明其与成型⽅向⽆关。具体来说，⽔平和垂直拉伸试样的平均值约为 1,040 MPa。屈服强度值彼此略有不同。垂直试样的平均 值为 997 MPa ，⽐⽔平 试 样⾼21MPa。由于凝固结构⽅向、拉伸测试载荷以及成型⽅向之间的复杂相互作⽤，垂直试样的伸⻓率和断⾯缩减率的平均值也较⾼。屈服强度之所以存在细微差异，是因为根据定义（和测量⽅法），其本⾝就是⼀种复杂的材料特性，受抗拉强度、伸⻓率、断⾯缩减率、弹性模量等多种因素的共同影响。 拉伸特性的位置依赖性1 成型基板被划分为⼀个 4×4 矩阵，形成 16 个⼦单元，每个⼦单元有 4 个拉伸试样，即每个现成状态和热处理状态各有 2 个⽔平试样和 2 个垂直试样，并基于这 16 个⼦单元展现拉伸特性的位置依赖性。虽然成型基板不同位置之间的差异处于测量不确定性范围之内，但评估这些差异对于更深⼊理解相应⼯艺是⾮常有价值的。 ⽆论是在⽔平⽅向还是垂直⽅向，成型基板最上层的屈服强度和抗拉强度都会相对较低，这是⼀种普遍趋势。相⽐之下，最底层的⼀排虽然具有相对较⾼的强度值，但其伸⻓率和断⾯缩减率相对较低。这表明差异并⾮由于孔洞或未熔合等物理缺陷造成，⽽可能是由于微观结构的细微差异引起的，这导致了这种轻微的机械特性变化。 ⼏何精度1 ⼏何精度结果是根据成型的⼏何形状及其达到规格要求的能⼒来评估的。我们使⽤了专为此作业布局设计的软件程序和 CMM（坐标测量机）来测量零部件的⼏何尺⼨。总体来说，从 144 个样本中取得的数据表现出优异的结果，其中4,032 次测量中有 96.5% 的结果符合规 格要求。只有四个测量值低于其规格下限要求。这四个测量值都是孔洞的⼏何数据，可归因于缺少光束偏移和零部件缩放。如图 9 所⽰，这些数据证明了孔洞加⼯⼯艺的可⾏性 (Pp≥1.33)，但并未居中 (Ppk≥1)。 柱⼦⼏何形状的能⼒指数表明，该⼯艺可⾏并 且 数 值居 中 ， 但 有 两 个 特 征 除外。这是因为柱⼦的正偏态⽐预期的正态分布⽔平要⾼。根据分布特性及其偏态，能⼒指数表明，该⼯艺所有值都处于规格要求范围之内，但并未居中。在我们分析的16 根柱⼦中，有两根靠近墙体，因此我们推测测量探头因活动空间过⼩⽽⽆法 准 确 测 量 其⼏何 特 征 。ANOVA 分析结果证实，材料批次和作业之间不存在依赖性，这意味着所有平均值均相等。相⽐之下，我们通过位置依 赖 性 的 ANOVA 分 析 发 现 了 细 微 差异，但这些差异仍处于⼯艺规格范围之内。 表⾯粗糙度1 我 们 根 据 ISO 4287 进⾏了 粗 糙 度 测量 ， 并 通 过 两 种 不 同的⽅法 分 析 了 结果 ， 即 Ra （ 平 均 值） 和 Rz （ 最⼤差值）。该测试⼯采⽤144 个致密性试验块 样 本 ， 对 Ra 和 Rz 进⾏了 720 次 测量。这两项特征均可⾏且符合规格限制要求。 Ra和 Rz的总体平均值和标准差分别为11.187 ±1.093 μm 和 73.437 ± 6.119μm。对于 Ra，每个批次的平均值均保持⼀致，但对于 Rz，批次之间虽略有差异，但这些差异仍处于标准差的可接受范围内。 然⽽，根据样品位置的测试结果表明，粗糙度 Ra存在位置依赖性，这是由于⽓体在成型基板上流动特性所致。具体来说，在⼊⼝和出⼝区域，⽓流的横截⾯会发⽣变化，这在⼯艺限制内增加了中间区域的粗糙度。 图 11 表明，在致密性试验块垂直表⾯上测量的表⾯粗糙度值呈现出稳定的连续性。这些测量数据是在⽤⽓压清洗样品后获取的，反映了“从设备取出时”的 零 部 件 状 态 。 根 据 EOS TitaniumTi64ELI 材料数据表，微喷砂处理可以将粗糙度 Ra降⾄5-9 μm，将 Rz降⾄20-50 μm。 结论与应⽤前景 我们从密度、拉伸特性、⼏何精度和表⾯粗糙度等⽅⾯对该能⼒研究的结果进⾏了评估。我们还研究了拉伸测试结果与粉末批次、作业、⽅向和位置的依赖性。根据国际标准规范限制，每个经测量的特征均展现出⾄少四西格玛 (4σ) 的的整体制造能⼒。 总体⽽⾔，拉伸特性的能⼒值极佳，远超 ASTM F3001 和 ASTM F136 的最低要求。抗拉强度和屈服强度的六西格玛(6σ) 整体制造能⼒展现了 DMLS 系统、材料和⼯艺具有极⾼的可靠性。 精度主要以⼏何特征的形式加以考量，包括孔洞、墙体、销钉和柱⼦。该机器能够制造所有的⼏何特征，但在孔洞并未居中。 尽管使⽤了更厚的60 μm 层，密度值仍符合 EOS Titanium Ti64ELI 以及 EOSM 290 的材料数据表 (MDS) 规范。加⼯粉末批次之间的化学成分差异可能影响材料密度，为轻微的批次依赖性提供了合理的解释。 我们观察到，粗糙度值Ra和 Rz都存在位置依赖性。下层和上层试样的粗糙度值要⾼于中间两层。该⼯艺在粗糙度⽅⾯是合格的，且低于最⾼规格标准。 拉伸测试是在热处理状态下进⾏的。测试结果展现了⾼度稳定性。正如我们所预期的，由于批次之间化学成分的微⼩差异，确实存在⼀定的批次依赖性。测试结果对成型基板的位