2024年设备能⼒研究白皮书EOS

作者AydınYağmur,EOS增材制造顾问SimonPorthun,EOS增材制造顾问设备能⼒研究本⽩⽪书给出了以下问题的答案：批量⽣产⾥程碑：验证3⽅法4结果与讨论6结论与应⽤前景14插图⽬录图1EOSAdditiveMinds实施的AM验证基准模型3图2设备能⼒研究的流程图4图3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5图4密度的⼯艺能⼒直⽅图6图5三个材料批次的密度测量结果6图6热处理拉伸测试的要求与能⼒值7图7热处理试样的拉伸测试8图8取决于成型基板位置的热处理拉伸特性9图9⼏何精度的现成样品⼯艺能⼒10图10Ra、Rz粗糙度的能⼒直⽅图12图11EOSM290机器能⼒研究的粗糙度值133批量⽣产⾥程碑：验证⽆论是哪个⾏业，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(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理解并掌控制造设备的性能（即在既定置这⼀点⾮常重要。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器能⼒研究的部分内容。执⾏者：客⼾执⾏者：客⼾⽀持者:EOSAdditiveMindsQualifiedProductionGenericApplicationSpecific机器能⼒数据有助于减少⼯作量、StandardStandard OQ4MaterialFlow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。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。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DataFlowDataFlowTestingReport/ApprovalFlowProductionFlowProductionFlow图2.机器能⼒研究的流程图5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。使成、粒度分布等潜在的依赖性信息。图3.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EOSDMLS⼯艺并满⾜对更⾼⽣产效率的需求，我们使⽤了层厚为60µm、成何修改。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。6结果与讨论密度1块样本的密度测量平均值为在考虑批次、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。图4.密度的⼯艺能⼒直⽅图图5.三个材料批次的密度值结果7拉伸测试1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。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8.1MPa，远低于⾏业公认的⾦]]m]pppk图6.要求与能⼒值，热处理（800°C，2⼩时）拉伸测试样品的平均值与标准差8拉伸特性的批次依赖性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1,040MPa。屈服强度值彼此略有不同。垂直试样的平MPa。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。图7.热处理试样的拉伸测试911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。图8.取决于成型基板位置的热处理拉伸特性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)。43210图9.⼏何精度的现成样品⼯艺能⼒柱⼦⼏何形状的能⼒指数表明，该⼯艺外。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，我们通过位置异，但这些差异仍处于⼯艺规格范围之表⾯粗糙度1值）。该测试⼯采⽤144个致密性试验量。这两项特征均可⾏且符合规格限制Cpk:3.82PPU:2.69CPU:3.82图10.Ra、Rz粗糙度的能⼒直⽅图Ra和Rz的总体平均值和标准差分别为11.187±1.093µm和73.437±6.119µm。对于Ra，每个批次的平均值均保异，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。1图11.EOSM290机器能⼒研究的粗糙度值图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”Ti64ELI材料数据表，微喷砂处理可以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)的尽管使⽤了更厚的60µm层，密度值仍符合EOSTitaniumTi64ELI以及EOS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。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置有轻微的依赖性。尽管如此，不同位置的平均值差异仍保持在测量不确定性范围之内。抗拉强度不受⽅向影响，⽽屈服强度和延展性表现出极⼩的⽅向依赖性，但由于⼯艺本⾝的特性，断⾯缩减率则与⽅向密切相关。断⾯缩减率的数值没有很好地居中，⽽是受⽅向依赖性影响，略微偏向规格上限。总体⽽⾔，拉伸特性的能⼒值极佳，远要求。抗拉强度和屈服强度的六西格玛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。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。⼀致的零部件特性，充分证明该机器已成为⼯业增材制造领域的标杆。EOS始终与客⼾紧密合作，致⼒于实现批量⽣产，满⾜他们的特定应⽤需求。我们制定了⼀套全⾯的机器能⼒报告信息包，其中涵盖⽣产计划、⻛险管理、每个⽣产步骤的⼯作说明以及所有测试结果，并进⾏了详细的统计分析。欲了解更多详情，请联系：(info@)AydınYağmur增材制造顾问Aydın热衷于探索激光与材料之间的作⽤机制，他最初的灵感来⾃于安卡拉中东科技⼤学的冶⾦与材料⼯程专业学习期间。在6年的早期职业⽣涯期间，他专注于传统制造⼯艺和材料，然后于2016年在MPIforIntelligentSystems完成了有关先进材料表征的论⽂，并获得了斯图加特⼤学材料科学硕⼠学位。在AdditiveMinds团队中，他专注于研究实施DMLS⼯艺之前、期间和之后的材料特性，针对⼯业增材制造应⽤开发客⼾专属解决⽅案。联系⽅式：aydin.yagmur@SimonPorthun增材制造顾问ASimon在担任激光焊接系统设计师的四年中，通过实现客⼾应⽤项⽬，逐渐培养出了对增材制造的浓厚兴趣。2010年，他获得了两个⼯程硕⼠学位，⼀个是汉堡应⽤科技⼤学的机械⼯程学位，另⼀个是汉堡SLV北部⼤学的焊接⼯程学位。他在慕尼⿊MTU完成了关于扩散焊接的毕业论⽂。在AdditiveMinds，他致⼒于完成能够将客⼾的应⽤需求与增材制造的创新潜⼒相结合的项⽬，从⽽帮助客⼾快速取得成功。联系⽅式：simon.porthun@1零部件特性仅供参考，EOS不对零部件的实际特性做出任何陈述或担保，也不承担任何责任。零部件特性取决于多种影响因素，因此，实际的零部件特性可能与此处所述的信息存在偏差。本⽂档本⾝并不代表任何零件设计的充分依据，也不提供任何关于材料或零部件的特定特性或材料或零部件对特定应⽤的适⽤性的协议或担保。实现某些零部件特性以及评估此材料对特定⽤途的适⽤性是⽤⼾的责任。试或认证为医疗器械，也不打算⽤作医疗器械，特别是⽤于MDR第2条第1号规定的⽬的。如果您打算将EOS粉末⽤作制造药品或医疗器械的原材料（例如，作为⼀种必须符合MDR附件1