為什麼增材製造需要不同的力學測試方法
從原型到生產：增材製造規模化後的變化
增材製造（通常稱為 3D 列印）已從早期的快速原型工具演變成更成熟的技術。如今，它越來越多地用於各行各業中功能性承重組件的批量生產。隨著採用的加速，對可重複且準確的力學測試的需求也隨之增加，以確保性能、可靠性和符合法規的信心。
本系列部落格文章探討了增材製造的基礎知識、與增材製造零件相關的獨特測試挑戰，以及正確的測試方法和測試夥伴如何使工程師能夠自信地將增材製造從開發推向生產。
什麼是增材製造？
增材製造是直接根據數位模型逐層添加材料來創建對象的過程。這種方法與傳統的減材製造形成鮮明對比，後者是透過機械加工從固體塊中去除材料。
這種逐層方法解鎖了幾個顯著優勢。增材製造提供了無與倫比的設計自由度，能夠實現複雜的內部特徵、晶格結構和幾何形狀，而這些在機械加工中是不切實際或不可能實現的。它還支援快速迭代，大幅縮短從概念到實體零件的開發週期。此外，由於模具需求極低，增材製造對於低至中等數量的生產具有極高的成本效益，同時還能減少材料浪費。這些優點使增材製造對於客製化、按需生產特別具有吸引力。
然而，這些優勢也引入了新的變量，必須透過高品質的測試來理解、測量和控制。
關鍵增材製造技術
目前各種增材技術已廣泛應用於工業領域，每種技術都有其自身的材料行為和測試要求。
定向能量沉積 (DED) 是一種在材料沉積時利用聚焦能量熔化材料的製程，而電弧增材製造 (WAAM) 是一種高沉積率的 DED 變體，實際上是一種受控的焊接製程。WAAM 特別適合生產大型金屬組件，並為大規模金屬構建提供了更具成本效益的解決方案。
粉末床熔融技術使用熱源逐層熔化粉末材料，包括：
- 用於高密度金屬零件的選擇性雷射熔化 (SLM)
- 用於聚合物組件的選擇性雷射燒結 (SLS)
- 用於鈦等活性金屬的電子束熔化 (EBM)
- 用於精密金屬應用的直接金屬雷射燒結 (DMLS)
黏合劑噴射和立體光刻 (SLA) 等其他製程繼續擴大增材製造領域，進一步增加了工程師必須管理的材料多樣性和測試要求。
市場趨勢與增長
增材製造的挑戰
在考慮增材製造零件的力學性能時，有幾項技術挑戰會直接影響力學性能。
增材製造零件經常會出現孔隙、未熔合和表面粗糙等缺陷，這可能導致力學強度減弱。這是因為零件實際上是由數千個微小的、增量式的「鑄件」組成的，每個鑄件都可能引入潛在的缺陷。機械加工和熱處理等後處理技術可以減少這些問題，但無法完全消除。
另一個主要挑戰是材料特性的變異性增加。單個零件內部的變異（稱為不均勻性）可能是由於沿列印路徑的散熱差異造成的。此外，零件與零件之間、操作員與操作員之間、機器與機器之間，以及製程和生產參數之間都可能發生變異。這種變異性會影響獲得可靠數據所需的樣本量。
最後，增材製造組件通常表現出高度的方向性屬性，稱為各向異性。由於零件是逐層構建的，因此構建 (Z) 方向的力學性能通常比 XY 平面的力學性能弱。這種方向性行為對於測試過程中的精確對齊、控制和可重複性具有重要影響。
Instron 方法：準確可靠的測試
由於增材製造引入了更高的變異性、更大的數據離散性和強烈的方向性行為，測試系統的品質與材料本身同樣重要。嚴謹的力學測試對於區分真實材料行為與測試誘導效應至關重要。
Instron® 測試系統旨在提供增材製造材料從早期材料篩選到完整鑑定測試所需的精度、穩定性和可重複性。透過將精確的負載和應變測量與特定應用的夾具和專家支援相結合，Instron 使工程師能夠生成值得信賴的可靠數據。
在性能由缺陷、變異性和各向異性定義的製造環境中，與像 Instron 這樣的測試領導者合作，對於將創新設計轉化為可靠的、可投入生產的組件至關重要。
關於作者
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Rebecca Reiff-Musgrove
Rebecca Reiff-Musgrove 是 Instron ElectroPuls® 的業務發展經理。她的背景包括劍橋大學的理學碩士學位，專注於增材製造零件的表面特性，並曾在增材製造行業擔任材料測試相關職位。在 Instron，她擔任過多項技術和商業職務，這使她對技術及其解決的客戶挑戰都有著紮實的理解。