金屬打印過程中質(zhì)量控制面面觀

提到3D打印，我們很容易興奮的一點就是定制化，但大多數(shù)時候，定制化并不是3D打印最吸引人的地方，反而是3D打印制造復雜產(chǎn)品的能力。在航空航天行業(yè)，對于復雜產(chǎn)品的需求通常來源于輕量化的要求，而在生命科學領(lǐng)域，復雜的表面也促使植入物與人體活性細胞之間更好的相容性。

然而，復雜產(chǎn)品也帶來了新的問題：質(zhì)量控制與檢測。很多情況下，除非通過高度可靠的無損探傷檢測技術(shù)，否則這些3D打印出來的零件是禁止進入到應用領(lǐng)域的。

圖片來源：3TRPD

零件的幾何復雜性使得僅僅通過目前的超聲波回波檢測技術(shù)難以判斷是否完全合格沒問題，而渦流探頭往往不能接觸到零件表面的每一部分。當然，最好的質(zhì)量控制不是事后檢測，而是過程中控制，對于目前的過程中控制來說，主要由幾大派系，照相技術(shù)和熱成像技術(shù)是目前相對應用最多的技術(shù)。

照相技術(shù)

這是目前最成熟的過程，并且被金屬打印設備廠商例如EOS的EOSTATE和第三方質(zhì)量控制服務商Sigma Labs所應用。

就拿Sigma Labs的質(zhì)量控制過程來說，在構(gòu)建過程中，產(chǎn)品按照垂直方向從底部到頂部被打印出來（Z方向）。每完成一個打印過程，Sigma Labs的PrintRite3D® CONTOUR™系統(tǒng)都會拍照。當整個產(chǎn)品被打印完成時，該系統(tǒng)將拍攝與建模過程對應的每一層的數(shù)字圖像。通過系統(tǒng)記錄的每一層的圖片，計算機將圖片與設計模型的切片相對比。

另外，Sigma Labs的PrintRite3D ® INSPECT™軟件利用高溫計和光電二極管檢測熔池溫度，記錄了其中三個過程變量：1）金屬粉末融化時溫度的“增加率”；2）熔池停留在最高溫度多“長”時間；3）熔池冷卻的“速率”。通過捕獲這三個變量，該系統(tǒng)產(chǎn)生熔池的“電子簽名數(shù)據(jù)”，從而在每一層的X,Y,Z三維方向上記錄了零件的微觀結(jié)構(gòu)。

在加工中的質(zhì)量管理方面，通過PrintRite3D ® INSPECT ™軟件，基于大量的生產(chǎn)大數(shù)據(jù)所形成的加工參數(shù)與產(chǎn)品性能之間的相關(guān)性，獲取符合生產(chǎn)要求的零件所對應的加工參數(shù)作為“基準數(shù)據(jù)”。除非與零件的機械和冶金特性數(shù)據(jù)具有相關(guān)性，否則該加工參數(shù)的值幾乎沒有任何意義。這意味著首先必須產(chǎn)生大量的測試樣本來生成這個屬性數(shù)據(jù)，并將屬性數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)到加工參數(shù)的“電子簽名數(shù)據(jù)”。從而在新的加工過程中將每一層的“電子簽名數(shù)據(jù)”與“基準數(shù)據(jù)”相對比。

在過程質(zhì)量控制中挑戰(zhàn)的是正確的收集數(shù)據(jù)的技術(shù)和分析能力。相關(guān)分析與回歸分析都是研究變量相互關(guān)系的分析方法，而相關(guān)性分析是指對兩個或多個具備相關(guān)性的變量元素進行分析，從而衡量兩個變量因素的相關(guān)密切程度。相關(guān)性的元素之間需要存在一定的聯(lián)系或者概率才可以進行相關(guān)性分析。相關(guān)分析是回歸分析的基礎，而回歸分析則是認識變量之間相關(guān)程度的具體形式。

PrintRite3D ® INSPECT ™將超出變量回歸范圍的加工定義為可疑的(Suspect),而在回歸范圍內(nèi)的定義為可接收的(Accept)。為研究粉末床增材制造技術(shù)在制造過程中的質(zhì)量控制和追溯提供了科學的方法。

就在2016年12月，Sigma Labs還與霍尼韋爾新簽40萬美元的合同，旨在加強鋪粉技術(shù)的3D打印過程質(zhì)量控制。

另外，關(guān)于機器視覺和數(shù)字圖像處理技術(shù)，針對這一領(lǐng)域的巨大投資正在使得包括增材制造行業(yè)受益，而且免去了專門為此研發(fā)的成本。視覺系統(tǒng)的更大的優(yōu)勢是知道哪些視覺線索，這些復雜的數(shù)據(jù)，可以被嵌入在增材制造質(zhì)量控制軟件中。

熱成像技術(shù)

在融化過程中，每個激光點創(chuàng)建了一個微型熔池，從粉末融化到冷卻成為固體結(jié)構(gòu)，光斑的大小以及功率帶來的熱量的大小決定了這個微型熔池的大小，從而影響著零件的微晶結(jié)構(gòu)。

為了融化粉末，必須有充足的激光能量被轉(zhuǎn)移到材料中，以熔化中心區(qū)的粉末，從而創(chuàng)建完全致密的部分，但同時熱量的傳導超出了激光光斑周長，影響到周圍的粉末。當激光后的區(qū)域溫度下降，由于熱傳導的作用，微型熔池周圍出現(xiàn)軟化但不液化的粉粒。通過熱成像技術(shù)達到過程中質(zhì)量控制的目的，在這一領(lǐng)域的代表性企業(yè)是Stratonics。

為了達到對熔池熱的監(jiān)測，與通過相機來逐層拍攝的方法不同的是，針對于LENS技術(shù)和SLM技術(shù)，Stratonics的高分辨率熱成像的感應器是基于雙波長的測量感應方法，結(jié)果準確，是真實有效的溫度測量技術(shù)。從而可以獲得材料加熱熔化過程的溫度變化，以及它如何傳導熱量和如何冷卻的詳細數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)方式與加工的幾何形狀是關(guān)聯(lián)的矩陣式數(shù)據(jù)，從而操作人員可以精確的推測加工參數(shù)是如何影響到成品零件的質(zhì)量的，包括對激光功率、系統(tǒng)掃描速度、掃描與粉末床的距離、粉末層厚度等等因素的考慮。

超聲過程檢測，圖片來源：TWI

當然，也有的3D打印設備廠商通過高溫計來實現(xiàn)對溫度的記錄，然而作為一個波長范圍的結(jié)果，單色高溫計可能不準確，高溫計只是給到用戶關(guān)于一些大面積的平均溫度，這是溫度的一個指標，但不一定是對絕對溫度的測量。3D科學谷了解到Stratonics的傳感器系統(tǒng)可以應用于從不銹鋼到鈦合金以及其他高溫金屬加工過程中的溫度測量，并不像單色高溫計那樣受到限制。

Stratonics的ThermaViz實時控制軟件通過對感應器所反饋的數(shù)據(jù)信息實現(xiàn)對加工過程的調(diào)整與控制，當軟件發(fā)現(xiàn)加工過程的會導致零件報廢或出現(xiàn)質(zhì)量問題的時候，反饋系統(tǒng)將自動調(diào)整加工參數(shù)以保證穩(wěn)定的熱輸出。通過實時熱圖像與標準熱量參數(shù)的匹配，實現(xiàn)對加工過程的自動調(diào)整，從而生產(chǎn)出更一致的產(chǎn)品，并實現(xiàn)更好的材料結(jié)晶結(jié)構(gòu)。

其他過程質(zhì)量控制手段還包括熔池光譜學和超聲波技術(shù)，這些技術(shù)處于快速開發(fā)階段。

來源：3d科學谷

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