增材制造之六西格瑪質(zhì)量管理（二）

來源：江蘇激光聯(lián)盟

接上文六西格瑪質(zhì)量管理在增材制造中的應(yīng)用起源：http://m.withyoor.com/thread-147448-1-1.html，本文繼續(xù)探討6s管理對AM的測量。

如今，6S 概念（例如，6S 設(shè)計、精益生產(chǎn)和減少變異）已被廣泛用于提高許多業(yè)務(wù)流程的能力。6S計劃的發(fā)展經(jīng)歷了如下三個階段。
第一階段：解決過程監(jiān)控、缺陷消除和可變性減少。
第二階段：降低總生產(chǎn)成本并提高系統(tǒng)性能。
第三階段：強調(diào)為企業(yè)組織創(chuàng)造價值。

然而，通過直接從客戶的數(shù)字設(shè)計中實現(xiàn)小批量-高混合生產(chǎn)（甚至是獨一無二的生產(chǎn)），AM朝著高水平的定制邁進，從而實現(xiàn)了“一體經(jīng)濟”。不再像傳統(tǒng)的大規(guī)模制造模式那樣使用相同設(shè)計生產(chǎn)的大量零件來建立和測量過程可變性。因此，大規(guī)模制造的6S實踐在普遍適用于AM的能力方面往往受到限制。迫切需要推進AM 6S計劃的下一階段。圖4顯示了定制設(shè)計的小批量-高混合生產(chǎn)方案，該方案只能制造一次或小批量制造。請注意，零件幾何形狀存在顯著的層間變化。AM 提出了新的 QA/QC 挑戰(zhàn)：大規(guī)模定制、小批量生產(chǎn)以及零件幾何形狀的層間變化。特別是，由于增材制造中的定制設(shè)計和逐層制造，每一層在零件幾何形狀方面都不同的情況并不少見。因此，很難表征和測量從一層到另一層或從一個構(gòu)建到下一個構(gòu)建的過程可變性和可重復(fù)性。

▲圖4. 小批量-高混合生產(chǎn)方案，用于三維打印中零件幾何圖形逐層變化的定制設(shè)計

AM的逐層制造方法給QA/QC 帶來了重大挑戰(zhàn)。許多增材制造工藝使用金屬粉末原材料，其中顆粒大小和形狀因批次而異。此外，激光或電子束被用作 LPBF和DED的加熱源。光束強度和直徑的輕微變化會導致不同機器之間以及構(gòu)建板上不同位置的相同機器之間的可重復(fù)性問題。因此，影響過程最終結(jié)果的每個參數(shù)都必須根據(jù)所使用的材料進行調(diào)整。此外，增材制造系統(tǒng)在制造零件時可以使用不同的層厚。使用100μm層厚的2厘米高物體將需要200層。如果層厚度為50μm，則層數(shù)將為400。這些層中的每一層都有失敗的機會。即使單層有缺陷的可能性很小，整個構(gòu)建也有至少一個缺陷的可能性很高。

值得注意的是，這個例子假設(shè)每一層都是相互獨立的。然而，AM 從一層到另一層是高度相關(guān)的。換句話說，一層中的缺陷可以在后續(xù)層的處理過程中得到糾正，或者會對下一層和所有后續(xù)層產(chǎn)生負面影響。這類似于傳統(tǒng)制造模式中的多級裝配線。在汽車工業(yè)中，車身裝配通常涉及一系列裝配操作。一個組裝步驟中的變化可能會在以下步驟中引入一系列變化。然而，多級組裝操作的物理原理與每層具有LPBF的多層AM不同。多階段制造系統(tǒng)的6S程序通常會分析過程的當前狀態(tài)，然后使用統(tǒng)計方法和工具逐步提高系統(tǒng)性能。

為AM建立6S范式需要新的創(chuàng)新來應(yīng)對這些新出現(xiàn)的質(zhì)量挑戰(zhàn)，包括大規(guī)模定制、小批量生產(chǎn)、層間變化和多層制造工藝，這些在從傳統(tǒng)的大規(guī)模生產(chǎn)轉(zhuǎn)向新的生產(chǎn)過程中是獨一無二的?！皽y量”需要在AM的不同階段設(shè)計和開發(fā)用于材料、工藝和構(gòu)建后檢查的新傳感器技術(shù)?！胺治觥睉?yīng)該能夠處理和連接在AM產(chǎn)品生命周期中生成的大數(shù)據(jù)?！案倪M”要求通過物理機器上的統(tǒng)計DOE、AM 過程和/或模擬模型上的計算機實驗，更好地理解過程物理和潛在現(xiàn)象的本體論知識?！翱刂啤睉?yīng)考慮增材制造中多層制造工藝的順序決策問題，并進一步解決增材制造的多目標優(yōu)化問題，例如，最大限度地降低LPBF工藝中消耗的總成本（例如，能源或時間）并最大限度地提高質(zhì)量最后部分。6S質(zhì)量管理的新科學基礎(chǔ)將影響AM的生產(chǎn)規(guī)?？尚行?，并使AM能力的開發(fā)能夠超越當前的快速原型制作現(xiàn)狀。

此外，賓夕法尼亞州立大學的CIMP-3D開發(fā)了一個多傳感器套件，用于監(jiān)控和控制商用3D System ProX 320 PBFAM系統(tǒng)，如圖5所示。該多傳感器套件也在3D Systems ProX 200、EOS M280、和 GE Concept Laser M2機器。該系統(tǒng)由多種傳感器組成，如下所示：

• 高分辨率/高倍率成像系統(tǒng)（六種不同的照明方案）；
• 兩個高速/高倍率攝像頭，包括一個帶 405-nm 濾光片的同軸攝像頭和一個帶 520-nm 濾光片的前置攝像頭；
• 高速視頻（> 33 000 fps）；
• 光學過程發(fā)射（100 kHz），包括光譜儀和多光譜傳感器；
• 聲學傳感器（100 kHz）；
• 熱成像和 DMP 熔池傳感器。
  

▲圖5. 用于監(jiān)控Commercial ProX 320 PBFAM系統(tǒng)的多傳感器套件圖示

如圖6所示，AM的構(gòu)建后質(zhì)量檢查和功能完整性評估通常使用基于射線照相的計算機斷層掃描 (CT) 進行。在該研究中，使用 GE vTomex M300 微焦 X 射線 CT (XCT) 掃描儀收集AM構(gòu)建的CT掃描，并使用 Volume Graphic myVGL3.0 軟件進行處理，以提取 AM 構(gòu)建中每一層的二維圖像配置文件。

▲圖6. 用于構(gòu)建后檢查的基于射線照相的CT

在增材制造試件和零件開發(fā)過程中，會動態(tài)生成、交換和使用大量數(shù)據(jù)。隨著數(shù)據(jù)量隨著原位傳感和無損檢測 (nondestructive examination, NDE) 的增加而增長，AM 活動生成的數(shù)據(jù)類型也變得更加豐富。AM工藝認證所需的信息不僅包括測量數(shù)據(jù)，還包括材料/機器規(guī)格、設(shè)計模型、控制和管理數(shù)據(jù)。表征整個AM過程需要在完整的 AM 價值鏈的背景下，對通過數(shù)千個零件和優(yōu)惠券的構(gòu)建歷史收集的所有信息進行全面分析。因此，它需要一個有效且高效的AM數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，以確保正確捕獲、存儲和使用數(shù)據(jù)。

未完待續(xù)