蔡司助力提高增材制造質量之顯微鏡解決方案

增材制造與每一項新興技術一樣，整個過程的質量控制是一項非常重要的任務。包括原材料特性以及成品的質量控制和其間的流程控制都是為了確保制造過程質量所必不可少的。蔡司顯微鏡在粉末和材料表征、印后熱處理和部件去除、缺陷和內部結構檢查、印后材料質量檢驗、尺寸和表面檢驗等方面都創(chuàng)建了全方面的解決方案。其中光學顯微鏡和電子顯微鏡可以提供材料表面的微米及納米級別的特征視圖，為增材制造的質量檢驗、失效分析及材料研究方面提供準確的信息，高分辨率 X射線顯微鏡可以對內部結構提供微納米級別的信息，可以解決增材制造非常復雜的內表面在質檢和研發(fā)過程中遇到的所有挑戰(zhàn)。

增材制造(Additive Manufacturing，AM)技術是采用材料逐漸累加的方法制造實體零件的技術，相對于傳統(tǒng)的材料去除-切削加工技術，是一種"自下而上"的制造方法。近二十年來，AM技術取得了快速的發(fā)展，"快速原型制造(Rapid Prototyping)"、"三維打印(3D Printing )"、"實體自由制造(Solid Free-form Fabrication) "之類各異的叫法分別從不同側面表達了這一技術的特點。西方媒體把這種實體自由成形制造技術譽為將帶來"第三次工業(yè)革命"的新技術。

1粉末材料的表征
各種粉末材料作為增材制造的原材料，對其質量的把關是增材制造質量控制的第一步。粉末顆粒的尺寸大小、尺寸分布、形狀、表面形貌、內部致密性等，不僅影響打印后產品的性能而且還會影響整個工藝過程。

√利用蔡司光學顯微鏡能夠快速得到粉末顆粒尺寸分布信息

√利用蔡司掃描電子顯微鏡能夠獲取極小至納米尺度的顆粒尺寸信息，顆粒表面形貌信息，以及顆粒的成份信息

√利用蔡司 X射線顯微鏡能夠對顆粒形狀、尺寸和體積分布進行詳細分析。分析粉末床壓實度與形狀的關系有助于確定合適的工藝參數(shù)，縮短最佳打印配方的開發(fā)。

2印后產品缺陷與內部結構觀察
粉末的質量以及在構建過程中的分散方式可能會導致產品結構中形成空隙或材料雜質。使用蔡司光學顯微鏡檢查產品構建質量或使用高分辨率 X 射線顯微鏡檢查內部結構有助于確定工藝參數(shù)的影響，并更快地定義實現(xiàn)最佳產品質量的工藝參數(shù)。

√通過光學顯微鏡的使用，對產品表面特征的特寫提供了對零件質量和工藝參數(shù)可能存在 的缺陷，從而更好地了解微裂紋和分層的起源。

√增材制造為前所未有的設計自由打開了大門，允許復雜的內部結構。高分辨率 X 射線顯 微鏡能夠對這些結構進行獨特的觀察，并分析潛在的內部缺陷。

√ X射線顯微鏡檢測可以提供構建完整性的獨特視圖，并顯著幫助優(yōu)化 3D 打印過程。零件的掃描圖像可以在任何方向上進行橫切，并與 CAD 標準圖表進行比較。

3印后產品材料質量檢測
與傳統(tǒng)的制造方法不同，增材制造工藝要求粉末在制造過程中熔化。因此熔融溫度等工藝參數(shù)極大地影響晶體結構以及零件性能。

√利用光學顯微鏡表征使用短的局部激光束熔融顆粒的結構形態(tài)

△AlSi10Mg 沿建造方向橫截面

√利用電子背散射衍射（EBSD）的掃描電鏡，可以對晶體或多晶材料進行微觀結構的晶體 學表征和研究。

△EBSD 晶體取向圖，單個晶粒著色，看不見激光加工痕跡

√用于傳統(tǒng)生產和增材制造的原材料，相同的材料可以具有完全不同的晶體結構。這種差異將極大地影響成品零件的機械性能。

△傳統(tǒng)生產與增材制造 AlSi10Mg 結構的比較

4印后產品表面質量檢測
表面粗糙度對零件的機械和視覺質量至關重要。增材制造的零件可能非常復雜，隱藏的內部結構無法接近。使用高相關光學輪廓儀和高分辨率 X 射線顯微鏡，無論在零件內部或外部位置進行詳細的表面分析。

√利用光學共聚焦顯微鏡能夠快速獲取零件表面符合 ISO 測試標準的微觀粗糙度，利用 X 射線顯微鏡能夠獲取零件內表面符合 ISO 測試標準的微觀粗糙度

△光學顯微鏡與 X 射線顯微鏡粗糙度測試結果比較

來源：蔡司工業(yè)測量