增材制造工艺无需工具，即可把所需的材料投入到正确的场合，非常精准且非常高效。这也是人们为何对增材制造技术应用感兴趣的原因。在各个工业领域都可以找到能够实现的各种不同的技术解决方案。但大多数已知的技术工艺却都还达不到既具备良好经济效益性又适合批量生产的程度。

“Agent 3D——增材制造”联合会是一个由工业行业推动的跨地区和跨行业的增材技术推介网络，超过120家参与此项目的企业的目标是要消除在扩大增材制造技术应用方面的主要障碍。

确保全部工艺链的质量

“增材制造可以实现小批量生产。为了避免或降低额外试生产样件的费用，必须采取一次性制造成功的策略。在整个生产环节(从粉末、制造流程、后续处理和精整等步骤)中，质量保证发挥着核心的作用。”德国德累斯顿技术大学材料科学学院院长，同时也是Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS机构领导层成员之一的Christoph Leyens教授说道(图1)。

图1  “为了避免或降低增材制造所需额外制造检测样件的成本，制造策略必须是一次性制造成功。”德累斯顿技术大学Christoph Leyens教授表示

负责协调Agent 3D网络的Christoph Leyens教授对质量保证技术与工艺作出了如下描述：“质量保证贯穿了整个生产链的各个环节，例如在材料进入工厂时，需要对粉末材料的化学成分、杂质状况和松散性能等方面进行检验。至于生产流程本身，则对相关的机器设备数据(如激光功率、粉末材料输送率或扫描速度)进行监视。若有可能，也可以在线应用工艺参数，以对熔化池大小或温度等参数进行控制。最后，我们在德累斯顿Fraunhofer IWS公司的增材制造测量和检验中心通过例如计算机X光断层摄影术X光断层摄像技术等手段，对部件进行裂纹或气孔等方面缺陷的检验。”

对不同材料的观察

在增材制造方面，除了各种不同的烧结工艺之外，熔融沉积成型工艺(FDM)也占有一定的地位。位于德累斯顿地区的Leichtbau Systemtechnologien Korropol公司，在一个由BMBF所赞助的研究项目中使用了一种集成式FDM铣削混合制造单元，以实现对大尺寸复合材料模具的高效制造。Korropol公司研发工程师Tobias Kastner这样描述质量保障在这个项目上的重要性：“FDM工艺上最难把控的是因材料和环境条件所导致的变形。而变形会极大地影响到生产流程的可重复性。第二个很明显的错误源则在于每层材料在Z方向上的附着性能。与匀质的同等材质塑料物体相比，通过在已冷却的被挤压结构层上铺入熔融液状连接缝，材料无法达到最佳的连接效果(图2)。”

图2  “质量保障所面临的最大挑战在于如何把目前业已应用成熟的统计学上的质量保证特征转移到增材制造上，因此在质量保证的很多领域里必须要转变思维。”Tobias Kastner（左）说道

对于质量保证需求，Korropol公司目前正在制订相应的措施。“针对增材制造部件，可以采用一种对部件表面进行监视的光学监视技术。这里可以借助于立体摄像机对部件表面进行3D测量，并把测量结果与原始数据进行比对，以便检测出偏差。”Tobias Kastner解释到。这种方法也可以在线应用，并被纳入到流程控制系统里。为了消除部件变形，FDM铣削复合加工间在第二个工作步骤上采用一种可以重复外形精度的铣削方法。

这家公司主要通过标准化材料试验来实施对各个层面附着性能的质量管理，为了影响材料附着性能，通过热成像摄像机来揭示出表面温度。部件可以通过热源接受逐点局部加热。

针对可靠和可追溯质量所面临的挑战

从质量保证角度去观察，不同材料究竟有何不同表现?在增材制造过程中，部件和材料都是同时生成，也就是说：不仅部件必须实现精准的几何外形，同时材料也必须呈现出正确的纹理结构，以便能够生成所需的特性(图3)。“以比较容易焊接而被熟知的材料要比例如金属复合材料或高强度材料表现得更好，后者在熔融阶段具有产生裂纹的倾向，因此质量保证策略也必须与特殊材料相匹配。”Christoph Leyens说道。

图3 通过SLM技术制造而成的行星齿轮箱无接缝运行：最主要的是这是一个重量获得了最优化的部件

增值制造的优势在于，无需大的资金投入即可实现以任意批量对任意结构的制造。“通过采用为数不多的3D打印设备，可以第二遍打印出与第一遍完全相同的部件。在质量保证方面所面临的最大挑战便是如何把目前业已应用成熟的统计学上的质量保证特征嫁接到增材制造上去，因此在质量保证的很多领域里必须要转变思维。”Tobias Kastner解释说。但有一点是很明确的，即能够对增材制造造成影响的因素非常多。Christoph Leyens强调说：“必须要根据所使用的不同材料，对主要的影响因素进行识别并尽量保持其稳定。另一个挑战便是，我们要在不受设备影响的情况下达到所规定的质量要求。但到目前为止，要把A设备上的工艺流程转用到B设备上，在今天仍然是一件有难度的事情。”