《Additive Manufacturing of Metals: From Fundamental Technology to Rocket No...

请叫我雷锋 · 发表于 2017-11-2 15:28:20

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本帖最后由请叫我雷锋于 2017-11-3 10:28 编辑

《Additive Manufacturing of Metals: From Fundamental Technology to Rocket Nozzles, Medical Implants, and Custom Jewelry》
金属增材制造：从基本技术到火箭喷嘴、医用植入物和定制珠宝
作者：
John O. Milewski
Los Alamos National Laboratory
出版社：Springer
出版时间：2017年

《Additive Manufacturing of Metals: From Fundamental Technology to Rocket Nozzles, Medical Implants, ...

目录
1 Envision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Evolution of Metalworking. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Advent of Computers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 Invention of 3D Printing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4 Key Take Away Points. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2 Additive Manufacturing Metal, the Art of the Possible . . . . . . . . . . 7
2.1 AM Destinations: Novel Applications and Designs . . . . . . . . . . 7
2.2 Artistic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3 Personalized . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.4 Medical. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.5 Aerospace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.6 Automotive. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.7 Industrial Applications Molds and Tooling. . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.8 Remanufacture and Repair . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.9 Scanning and Reverse Engineering. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.10 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.11 Engineered Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.12 Functionally Graded Structures and Intermetallic Materials . . . . 28
2.13 Technology Demonstration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.14 Hybrid Additive/Subtractive Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.15 Key Take Away Points. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3 On the Road to AM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.1 You are Here !. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2 AM Metal Machines, the Vehicles to Take You There. . . . . . . . 37
3.3 Market and Technology Drivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.4 A Pocket Translator: The Language of AM . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.5 Key Take Away Points. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4 Understanding Metal for Additive Manufacturing . . . . . . . . . . . . . . 49
4.1 Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.1.1 Solid, Liquid, Gas, and Sometimes Plasma . . . . . . . . . . 50
4.1.2 Elements and Crystals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.2 Physical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.2.1 Thermal Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.2.2 Mechanical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2.3 Electrical, Magnetic, and Optical Properties . . . . . . . . . 56
4.3 Chemistry and Metallurgy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.3.1 Physical Metallurgy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.3.2 Ease of Fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.3.3 Process Metallurgy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.3.4 Sintered Microstructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.3.5 Solidification Microstructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.3.6 Bulk Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.4 Forms of Metal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.4.1 Commercial Shapes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.4.2 Metal Powder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.4.3 Wire and Electrodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.4.4 Graded Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.4.5 Composites, Intermetallic, and Metallic Glass . . . . . . . . 79
4.4.6 Recycled Metal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.4.7 Recycle and Reuse of AM Metal Powders . . . . . . . . . . 81
4.5 Key Take Away Points. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5 Lasers, Electron Beams, Plasma Arcs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.1 The Molten Pool. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.2 Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.3 Electron Beams. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.4 Electric and Plasma Arcs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.5 Hybrid Heat Sources. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.6 Key Take Away Points. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6 Computers, Solid Models, and Robots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.1 Computer-Aided Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6.2 Computer-Aided Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.3 Computer-Aided Manufacturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.4 Computerized Numerical Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.5 Robotics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.6 Monitoring and Real-Time Control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
6.7 Remote Autonomous Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
6.8 Key Take Away Points. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
7 Origins of 3D Metal Printing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
7.1 Plastic Prototyping and 3D Printing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
7.2 Weld Cladding and 3D Weld Metal Buildup . . . . . . . . . . . . . . . 123
7.3 Laser Cladding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
7.4 Powder Metallurgy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
7.5 Key Take Away Points. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
8 Current System Configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
8.1 Laser Beam Powder Bed Fusion Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
8.1.1 Advantages of PBF-L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
8.1.2 Limitations of PBF-L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
8.2 Laser Beam Directed Energy Deposition Systems . . . . . . . . . . . 147
8.2.1 Advantages of DED-L. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
8.2.2 Limitations of DED-L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
8.3 Additive Manufacturing with Electron Beams . . . . . . . . . . . . . . 157
8.3.1 Electron Beam Powder Bed Fusion Systems . . . . . . . . . 157
8.4 Electron Beam-Directed Energy Deposition Systems . . . . . . . . . 161
8.5 3D Metal Printing with Arc Welding Systems . . . . . . . . . . . . . . 166
8.6 Other AM Metal Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
8.6.1 Binder Jet Technology. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
8.6.2 Plastic Tooling in Support of Metal Fabrication . . . . . . 174
8.6.3 Plastic and Wax Printing Combined with Casting . . . . . 174
8.6.4 Ultrasonic Consolidation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
8.6.5 Cold Spray Technology. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
8.6.6 Nano and Micro Scale Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
8.7 Key Take Away Points. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
9 Inspiration to 3D Design. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
9.1 Inspired Design. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
9.2 Elements of Design. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
9.2.1 Material Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
9.2.2 Process Selection. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
9.3 Solid Freeform Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
9.3.1 Design Freedom Offered by AM. . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
9.3.2 AM Metal Design Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
9.4 Additional Design Requirements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
9.4.1 Support Structure Design. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
9.4.2 Design of Fixtures, Jigs, and Tooling . . . . . . . . . . . . . . 203
9.4.3 Test Specimen Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
9.4.4 Prototype Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
9.4.5 Hybrid Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
9.5 Cost Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
9.6 Key Take Away Points. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
10 Process Development. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
10.1 Parameter Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
10.2 Parameter Optimization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
10.3 Specifying Pre-build and Monitoring Procedures . . . . . . . . . . . . 223
10.3.1 Monitoring of Process Quality. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
10.3.2 In-Process Part Quality Monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . 226
10.4 Repair or Restart Procedures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
10.5 Key Take Away Points. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
11 Building, Post-Processing, and Inspecting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
11.1 Building the Part. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
11.2 Post-Processing and Finishing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
11.3 Bulk Deposit Defects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
11.4 Dimensional Accuracy, Shrinkage, and Distortion . . . . . . . . . . . 242
11.5 Inspection, Quality, and Testing of AM Metal Parts. . . . . . . . . . 242
11.5.1 Nondestructive Test Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
11.5.2 Destructive Test Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
11.5.3 Form, Fit, Function, and Proof Testing . . . . . . . . . . . . . 249
11.6 Standards and Certification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
11.7 Key Take Away Points. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
12 Trends in AM, Government, Industry, Research, Business . . . . . . . 255
12.1 Government and Community . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
12.2 University and Corporate Research. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
12.3 Industrial Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
12.4 Business and Commerce. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
12.5 Intellectual Property, Security, and Regulation . . . . . . . . . . . . . . 281
12.6 Social and Global Trends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
12.6.1 Diffusion of Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
12.6.2 Demographics, Information, Mobility, Education,
Connectivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
12.6.3 Food, Water, Energy, Population Growth . . . . . . . . . . . 290
12.7 Trends in Additive Manufacturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
12.7.1 Top AM Technology and Market Destinations . . . . . . . 291
12.7.2 The First Steps Toward AM Metal . . . . . . . . . . . . . . . . 292
Professional Society and Organization Links . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
AM Machine and Service Resource Links . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
Appendix A: Safety in Configuring a 3D Metal Printing Shop . . . . . . . . 299
Appendix B: Exercises in Metal Fusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
Appendix C: OpenSCAD Programming Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
Appendix D: 3D Printer Control Code Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
Appendix E: Building an Arc Based 3D Shape Welding System. . . . . . . 317
Appendix F: Exercises in 3D Printing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
Appendix G: Score Chart of AM Skills. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
Glossary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339

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