金屬打印過程中質量控製麵麵觀
點（diǎn）擊量：499 發布時間：2017-03-11 作者：狀（zhuàng）邁（上（shàng）海）增材製造技術有限公司
提到3D打印，我們很容（róng）易興奮的一點就是定製化，但大多數（shù）時候，定製化（huà）並不是3D打印（yìn）最吸引人的地方，反而是3D打印（yìn）製造複雜產品的（de）能力。在航空航天行（háng）業，對於複雜產（chǎn）品的需求通常來源於（yú）輕量化的要求，而在生命科（kē）學領域，複雜的表麵也促（cù）使植入物與人（rén）體活性細胞（bāo）之間更好的相（xiàng）容性。
然而，複雜產品也帶來了新的問題：質（zhì）量控製與檢測。很多情況下，除非通過高度可靠的無損探傷檢測技術，否則這些3D打印出來的零（líng）件是禁止進（jìn）入（rù）到應用（yòng）領域（yù）的。
圖片來源：3TRPD
零件的（de）幾何複雜性使得僅僅通過目前的（de）超聲波回波（bō）檢測技術難以判斷是否完全合格沒問題，而渦流探頭（tóu）往往不能接觸到零件表麵的每一部分（fèn）。當然，最好（hǎo）的質量控製不是事後檢測，而是（shì）過（guò）程中控製。根據3D科學穀的市場研究，對於目前的過程中控製來說，主要由幾大（dà）派係，照相技術和熱成像技術是目前相對應用最多的技術。
層層控製
硬件與軟件技術的（de）結合
照相技術
這是目前最成熟的過程，並且被金屬打印設備廠商例如EOS的EOSTATE和（hé）第三方質量控製服務商Sigma Labs所應用。
就拿Sigma Labs的質量（liàng）控製過程來說，在構建過程中，產（chǎn）品按照垂直（zhí）方向從底部到頂部被打印出來（Z方向（xiàng））。每（měi）完成一（yī）個打印過程，Sigma Labs的PrintRite3D® CONTOUR™係統都會拍照（zhào）。當整個產品被打印完成時，該係統將拍攝與建模過程對應的每一（yī）層的數字圖（tú）像。通過係統記錄的每一（yī）層的圖（tú）片，計算機將圖片與設計模（mó）型的切（qiē）片相對比。
另外，Sigma Labs的PrintRite3D ® INSPECT™軟件利（lì）用（yòng）高溫計和光電二（èr）極（jí）管檢測熔池溫度，記錄了其中三（sān）個過程變量：1）金屬粉末融化時溫度的“增加（jiā）率”；2）熔池停留在最高溫度多（duō）“長”時間；3）熔池冷卻（què）的“速率”。通過捕獲這三個變量，該係統產生熔池的“電子簽名（míng）數（shù）據”，從而在每一層的（de）X,Y,Z三維（wéi）方向上記錄（lù）了零件的微觀結構。
在加工中的質量管理方麵，通過PrintRite3D ® INSPECT ™軟件（jiàn），基於大量的（de）生產大數據所形成的加工參數與產品性能之間的相關性，獲取（qǔ）符合生產要求的零件所對應的加工（gōng）參數作為“基準數據”。除非與零件的機械和冶金特性數據具有相關性，否則該加工參數的值幾乎沒有任（rèn）何意義。這（zhè）意味著首（shǒu）先必須產生大量（liàng）的測試樣本來生成這個（gè）屬性數據，並將屬性數據關聯到加工（gōng）參數的“電子簽名數據”。從而在新的加工（gōng）過程中將每一層的“電子簽名數據”與“基準數據”相對比。
在過程質（zhì）量控（kòng）製（zhì）中（zhōng）挑戰的（de）是正確的收集數據的技術和分析能力。相關分析與回歸分析都是研究變量（liàng）相互關係的分析方法，而相關性分析是指對兩個或多個具備相關性的變量元素進行分析，從而（ér）衡量（liàng）兩個變量因素的相關密（mì）切程度。相關性的元素之間需要存在一定的聯係或者概率才可以進行相（xiàng）關性分析。相關分（fèn）析是回歸分析的基礎，而回歸分（fèn）析則是（shì）認（rèn）識變量之間相關程度的具體形式。
PrintRite3D ® INSPECT ™將超出變量回歸範圍的加工定義為可疑的(Suspect),而在（zài）回歸範圍內的定義為可接收的（de）(Accept)。為研究粉末床增材製造技術在製造過程中的質量控製和追溯提供了科學的方法。
就在2016年12月，Sigma Labs還與霍（huò）尼韋（wéi）爾新簽40萬美元的合（hé）同，旨在加強鋪粉技術的3D打印過程質量控製。
另外，關於機器視覺和數字圖像（xiàng）處理技術（shù），針對這一領域的巨大投資正在使得（dé）包括增材製造行業受益，而且免去了專門為此研發的（de）成本。視覺係統的更大的優勢是知（zhī）道哪些視覺（jiào）線索，這些複雜的數據，可以（yǐ）被嵌入在增（zēng）材製造質量控製軟件中。
熱（rè）成像技術
在融化過程中，每個激光點（diǎn）創建了一個微（wēi）型熔池，從粉末融化到冷卻成為（wéi）固體結構，光斑的大小以及功率帶來的熱量的（de）大小決定（dìng）了這個微型熔池的大小，從而影響著零（líng）件的微晶結構。
為了融化粉末，必須有充足的激光（guāng）能量被轉移到材料中，以熔化中心區的粉末，從而創建完全致密的部分，但（dàn）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（guāng）後的區（qū）域溫度下降，由於熱傳導的作（zuò）用，微型熔池周圍出現軟化但不液化的粉粒。通過熱成像技術達到過程中質量控製的目（mù）的，在這一領域（yù）的代表性企業是Stratonics。
為了達到對熔池熱的監測，與通過相機來逐層拍攝的方法不同的（de）是，針對於LENS技術和SLM技術，Stratonics的高分辨率熱成像的感應器是基於雙（shuāng）波（bō）長（zhǎng）的測量感應方法，結果準確，是真（zhēn）實有效的溫度（dù）測量技術。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（de）詳細數據。這些數據的呈現方式與加（jiā）工的幾（jǐ）何形狀是關聯的矩陣式數據，從而操作（zuò）人員可以精確的推測加工參數是（shì）如何影響到成品零件的質量的，包括對激光功率（lǜ）、係統掃描（miáo）速度、掃描與粉末床的距（jù）離、粉（fěn）末層厚度等等因素的（de）考慮。
當然（rán），也有的3D打印設備廠商通過高溫計來實現對溫度的記錄，然而作為一（yī）個波（bō）長範圍的（de）結果，單色高（gāo）溫（wēn）計可能不準確，高溫計隻是給到用戶關於一些大麵積的平（píng）均溫度，這是溫度的（de）一個（gè）指標，但不一定是對絕對溫度的測量。3D科學穀了解到Stratonics的傳感器係（xì）統可以應用於從不鏽鋼到鈦合金以及（jí）其（qí）他高溫金（jīn）屬加工過程中的溫度測量，並不像單色（sè）高（gāo）溫計那樣受到限製。
Stratonics的ThermaViz實時（shí）控製軟件通過對感應器所反饋的數據信息實（shí）現對加工過程的調整與控製，當軟件（jiàn）發現加（jiā）工過程的會導致零件報廢或出現質量（liàng）問題的時候，反饋係統將（jiāng）自動調整加工參數以（yǐ）保證穩定（dìng）的熱輸出。通過實時熱圖像與標準熱量參數的匹（pǐ）配，實現（xiàn）對加（jiā）工過（guò）程的自動（dòng）調整，從而生產出更一（yī）致的產品，並實現更好的材料結晶（jīng）結構。
其他過程（chéng）質量控製手段還包括熔池光譜學（xué）和超聲波技術，這些技術處（chù）於快速開發階段，3D科（kē）學穀將保持密（mì）切關注。
上一（yī）篇：直擊金屬3D打印，金屬加工人不知就OUT啦！
