金屬3D打印質(zhì)量怎么控制，來個“打印預(yù)覽”如何？

目前，理解和控制金屬3D打印過程中熔池的行為一直是個難題，能不能像二維打印那樣，在打印之前來個“打印預(yù)覽”，將可能發(fā)生的一些錯誤避免掉？近日，增材制造仿真的專業(yè)公司3DSIM已經(jīng)與Sigma Labs合作開發(fā)了一個名為FLEX™軟件，該軟件模擬熱傳感器對金屬增材制造工藝的響應(yīng)，提前避免可能發(fā)生的錯誤，F(xiàn)LEX™全部商業(yè)版本計劃于2018年初發(fā)布。

FLEX™是增材制造數(shù)字線程中的關(guān)鍵部分，F(xiàn)LEX™用戶可以運(yùn)行一個模擬軟件，預(yù)測他們3D打印設(shè)備中的高速非接觸式高溫計將“看到”什么，就像二維打印文字處理軟件的“打印預(yù)覽”功能一樣。

仿真軟件3DSIM的軟件設(shè)計基礎(chǔ)是通過對超過1000種不同的材料組合性能特點(diǎn)的了解，了解材料的組合對零件哪些方面有較大的影響，從而得到一些有趣的結(jié)果，來幫助確定材料特性和熔池寬度以及深度之間的關(guān)系，通過精確地模擬熔池寬度和深度，可以直接預(yù)測零件的表面粗糙度、精度和孔隙率。

一旦零件的幾何形狀被建模，仿真軟件可以用來預(yù)測有代表性的激光掃描路徑。模擬得到激光及其與材料的相互作用模型。該模型提供了材料在激光作用下從粉末變成液態(tài)再到凝固的科學(xué)描繪，模型模擬了粉末在粉末床上被加熱、能量的爆破、熔化和快速冷卻凝固過程，每一層的構(gòu)建由此類推。

一旦建立層的掃描策略，模擬仿真可以提供該層準(zhǔn)確的溫度歷史，這種歷史可以用來預(yù)測材料的晶體結(jié)構(gòu)、孔隙度、變形和殘余應(yīng)力。仿真數(shù)據(jù)基于設(shè)備和材料的物理因素，包括粉末材料的堆積密度，激光能量吸收特性和熱傳導(dǎo)率。通過仿真可以調(diào)整工藝參數(shù)，以及更換新的粉末，通過軟件確定掃描策略以及選擇粉末。模擬軟件將預(yù)測這些改變對零件性能的影響。

而Sigma Labs的核心實(shí)力在于感應(yīng)器硬件與數(shù)據(jù)和軟件的融合。硬件方面，Sigma Labs傳感技術(shù)－Sensorpak，是一個由聲、光、熱傳感器、收集過程數(shù)據(jù)的全套系統(tǒng)。傳感器記錄的數(shù)據(jù)將建立過程文件，其中西格瑪實(shí)驗(yàn)室工程師通過在洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室多年來在冶金和焊接的研究經(jīng)驗(yàn)，能夠從大數(shù)據(jù)中提取關(guān)鍵的質(zhì)量記錄，并通過結(jié)果特征還原關(guān)鍵過程的物理特征。

由于硬件記錄和積累了大量的數(shù)據(jù)，從而Sigma Labs由過程測量發(fā)展到過程控制，工藝參數(shù)存儲會作為微觀層面的設(shè)置跟結(jié)果做匹配。從工藝參數(shù)創(chuàng)建與質(zhì)量的相關(guān)性。如果預(yù)定的規(guī)則都不符合，打印過程中斷和信號激活的過程中，參數(shù)檢測以及糾正執(zhí)行偏差。在這種方式下，就需要防止出現(xiàn)有缺陷的熔池。這種過程控制被稱為過程質(zhì)量保證，是西格瑪實(shí)驗(yàn)室獨(dú)特的（iPQA™）技術(shù)。此外，過程質(zhì)量度量（iPQM™）包括質(zhì)量保證，這樣可以提高生產(chǎn)效率，并實(shí)現(xiàn)制造業(yè)務(wù)精益戰(zhàn)略。

于是，Sigma Labs順勢將其軟件商業(yè)化。Sigma Labs在2015年推出Sigma Labs用于粉末床金屬打印過程控制軟件DEFORM™。DEFORM™是一個獨(dú)特的工具，與其INSPECT™ 形成完整的過程控制補(bǔ)充。其專有的、在線算法可以生成每一層建設(shè)過程中的幾何特性數(shù)據(jù)。Sigma Labs的技術(shù)提供實(shí)時、逐層分析，以確保符合生產(chǎn)規(guī)格的要求。

軟件的工作原理與3D打印機(jī)工作的步驟吻合。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(dāng)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(yīng)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(jī)將圖片與設(shè)計模型的切片相對比。

當(dāng)然，由于硬件可以達(dá)到非常細(xì)膩的觀測記錄水平，從而使得軟件功能更加強(qiáng)大，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(yīng)的加工參數(shù)作為“基準(zhǔn)數(shù)據(jù)”。除非與零件的機(jī)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(zhǔn)數(shù)據(jù)”相對比。

可以說3DSIM和Sigma Labs的共同點(diǎn)都在于針對增材制造，都具備大數(shù)據(jù)的分析處理能力，而3DSIM專注于仿真，Sigma Labs則在硬件方面實(shí)力突出，所以二者的合作將進(jìn)一步打通通過仿真軟件對實(shí)時加工狀況的預(yù)測和理解，讓熔池中粉末將要發(fā)生的行為變得更加未仆先知。

來源：3D科學(xué)谷

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