UIUC開發(fā)出提高3D打印零件準(zhǔn)確性的新軟件

來源：江蘇激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：來自伊利諾伊大學(xué)厄本那-香檳分校的研究人員開發(fā)了可提高3D打印零件精度的軟件，旨在為使用增材制造在工廠中批量生產(chǎn)零件的公司降低成本和浪費。該研究成果近日發(fā)表在Additive Manufacturing上。

增材制造（AM）工藝的最新進(jìn)展推動了AM在生產(chǎn)應(yīng)用中利用率提高，這在某種程度上是由新型AM工藝的高速能力實現(xiàn)的。AM的新興用途包括生產(chǎn)具有精確定制的機(jī)械性能的格架零件和結(jié)構(gòu)材料。但是，在制造過程中出現(xiàn)的缺陷會極大地改變這些零件的性能。例如，包括數(shù)百個特征的網(wǎng)格部件的結(jié)構(gòu)性能對桁架幾何形狀的不準(zhǔn)確性特別敏感。AM零件中的加工-結(jié)構(gòu)-特性關(guān)系是一個重要的研究領(lǐng)域，對可擴(kuò)展的生產(chǎn)和商業(yè)化具有重要意義。

可擴(kuò)展的生產(chǎn)需要質(zhì)量體系來監(jiān)視和控制制造零件的可變性。在傳統(tǒng)的工廠環(huán)境中，在多臺機(jī)器或多條生產(chǎn)線上進(jìn)行生產(chǎn)需要對機(jī)器進(jìn)行仔細(xì)的校準(zhǔn)并監(jiān)控制成品，以查明生產(chǎn)線中潛在的變化源。當(dāng)存在多個變異源時，質(zhì)量控制方法使用方差分解來識別變異源及其對生產(chǎn)零件總變異性的貢獻(xiàn)。這種方法廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)制造中，也可以應(yīng)用于增材制造。但是，與許多傳統(tǒng)制造類型相比，AM具有明顯更大的變量集，因此需要對傳統(tǒng)方法進(jìn)行一些修改。特定于AM的方差分解必須考慮到不同的機(jī)器和可互換的工具，以及零件在內(nèi)部構(gòu)造和特征位置中的位置。此外，AM設(shè)置有可能從一種構(gòu)建轉(zhuǎn)移到另一種構(gòu)建。在傳統(tǒng)制造中，通常會校準(zhǔn)安裝程序并將其運行幾天或幾周，然后再對工具磨損或產(chǎn)品線開關(guān)進(jìn)行重新校準(zhǔn)。雖然可以將AM限制為與其他類型的制造相同的限制，例如使用專用于單個產(chǎn)品線的工具，但由于靈活性是AM的標(biāo)志，因此這是不希望的。為了利用AM的靈活性，需要一種質(zhì)量系統(tǒng)，允許在動態(tài)制造設(shè)置中分解差異。

對AM質(zhì)量體系的研究已經(jīng)開始解決與AM工廠大規(guī)模生產(chǎn)相關(guān)的一些關(guān)鍵問題。一些已發(fā)表的研究已經(jīng)使用過程建模和仿真，原位過程監(jiān)視和控制和零件幾何形狀的生產(chǎn)后分析，對臺機(jī)器中的可變性來源進(jìn)行了調(diào)查。盡管有大量文獻(xiàn)探討了AM加工參數(shù)在機(jī)器水平上對制造零件的準(zhǔn)確性的作用，通常這些出版物沒有涉及機(jī)器之間的差異。操作多臺AM機(jī)器不僅需要了解如何在各臺機(jī)器之間最佳地分配任務(wù)和執(zhí)行批處理作業(yè)，還需要了解工具配對、硬件更改、軟件設(shè)置和環(huán)境條件如何影響質(zhì)量的特定方面�？偟膩碚f，缺乏研究AM中機(jī)器間可變性的研究，因此需要可以分析機(jī)器間可變性的新方法。

在這項研究中，來自伊利諾伊大學(xué)厄本那-香檳分校的研究人員提出了一個新軟件，用于分析AM零件生產(chǎn)中機(jī)器之間的可變性。該軟件使用方差分解來解決多個機(jī)器，工具和其他制造參數(shù)如何影響零件精度的問題。研究人員考慮對在三臺機(jī)器上制造的90 AM網(wǎng)格零件進(jìn)行案例研究，以模仿實際的生產(chǎn)訂單并創(chuàng)建使用此框架進(jìn)行分析的大型數(shù)據(jù)集。他們展示了如何跟蹤零件中幾何誤差的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，并將其與AM機(jī)器和過程變量相關(guān)聯(lián)。此外，他們還提出了一種可供設(shè)計人員用來解決零件設(shè)計中這些不準(zhǔn)確性的方法。

圖1. 按制造參數(shù)組織的實驗和零件精度數(shù)據(jù)概述。

▲圖解：（a）用于本研究的增材制造設(shè)備的示意圖。（b）三個機(jī)器，三個工具和10個位置的組合圖。（c）零件的照片。（d）印刷階段，顯示10個零件的排列方式，以及（e）構(gòu)件中的位置。（f）零件精度數(shù)據(jù)表示為所有零件與目標(biāo)的差異（第1級），由用于生產(chǎn)零件的機(jī)器組織的零件數(shù)據(jù)（第2級），由一臺機(jī)器上使用的不同工具組織的零件數(shù)據(jù)（第3級），以及按一臺機(jī)器和一臺工具的構(gòu)建位置排列的零件數(shù)據(jù)（第4級）。這里的特征是壁厚。

圖1顯示了具有三個可互換盒式工具的三臺Carbon AM機(jī)器的示意圖。有9種機(jī)床組合，研究人員為每種組合打印了一份版本。每個版本都有10個分布在整個打印區(qū)域的零件，總共90個零件。該零件為六邊形格子（圖1c），包括237個壁，我們測量了每個壁的厚度、長度和高度。研究人員先前研究了使用同一臺AM機(jī)器制作的六邊形格子的尺寸-特性關(guān)系，并顯示了了解幾何精度的重要性。圖1f中的圖顯示了零件的精度，這些零件的精確度計算為零件內(nèi)部特征與目標(biāo)(difference from target, DFT)的測量差。DFT定義為測量的幾何形狀與設(shè)計的幾何形狀之間的差異。數(shù)據(jù)根據(jù)不同的參數(shù)進(jìn)行組織以顯示趨勢：第1級顯示所有零件的數(shù)據(jù)；第2級顯示所有零件的數(shù)據(jù)并按機(jī)器組織；第2級顯示了來自一臺機(jī)器和三個盒式工具的零件數(shù)據(jù)；第4級顯示一臺機(jī)器和一臺紙盒工具中零件的數(shù)據(jù)，并按打印臺上的位置進(jìn)行組織。

分析軟件的第一步是數(shù)據(jù)探索，如圖1所示。在這一步驟中，目標(biāo)是理解和識別數(shù)據(jù)的異常、模式和其他特征。在數(shù)據(jù)探索過程中獲得的信息可指導(dǎo)功能選擇，后續(xù)分析和模型制定。圖1顯示了數(shù)據(jù)探究，它揭示了三個關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：數(shù)據(jù)是根據(jù)用于生產(chǎn)零件的機(jī)器進(jìn)行分配的（第2級）；根據(jù)使用的工具分配每臺計算機(jī)的數(shù)據(jù)（第3級）；并且可以通過零件在內(nèi)部版本中的位置來區(qū)分與每臺機(jī)器和工具相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)（第4級）�；�于這些發(fā)現(xiàn)，加上研究人員對過程的先驗知識和理解，選擇了三個制造參數(shù)和五個幾何特征進(jìn)行進(jìn)一步分析。三個制造參數(shù)是機(jī)器、工具和位置，五個幾何特征是平均壁厚和長度，這些度量的標(biāo)準(zhǔn)偏差以及零件高度。

分析軟件的第二步是統(tǒng)計測試，研究人員在其中確定哪些制造參數(shù)和所測量的特征相關(guān)，然后根據(jù)這些相關(guān)性為數(shù)據(jù)確定合適的模型。研究人員首先檢查因變量之間的相關(guān)性，以確定單變量或多變量分析是否合適。圖2顯示了五個測量特征的散點圖矩陣和相關(guān)矩陣。散點圖矩陣顯示兩個測量特征的散點圖或單個測量特征的直方圖，并可視化測量變量的相關(guān)性、模式和分布形狀。相關(guān)矩陣顯示每個測量特征之間的數(shù)值相關(guān)性。根據(jù)此分析，研究人員發(fā)現(xiàn)大多數(shù)功能并沒有高度相關(guān)，這使我們可以使用統(tǒng)計方法對每個參數(shù)進(jìn)行獨立建模。盡管參數(shù)大部分是獨立的，但數(shù)據(jù)中仍存在一些明顯的趨勢。確實存在的相關(guān)性是正的，這意味著隨著一個特征量度的增加，所有其他特征量度也將增加。長度和高度之間的相關(guān)系數(shù)為0.71，厚度與厚度的標(biāo)準(zhǔn)偏差以及兩個標(biāo)準(zhǔn)偏差之間的相關(guān)系數(shù)為0.5左右。從這一點出發(fā)，分析假設(shè)所測得的特征僅取決于制造參數(shù)，而不相互依賴。

▲圖2. 散點圖矩陣，顯示所有90個零件的測量幾何形狀之間的相關(guān)性。右上方的插圖顯示了零件級特征的相關(guān)性。長度和高度的相關(guān)系數(shù)最高，為0.71，被認(rèn)為是適度的；其次，厚度的標(biāo)準(zhǔn)偏差與長度的標(biāo)準(zhǔn)偏差之間的相關(guān)系數(shù)為0.49，較弱�？梢栽谙鄳�(yīng)的散點圖中直觀地看到相關(guān)性。

分析軟件的第三步是開發(fā)模型，在該步驟中，研究人員基于描述測量特征和制造參數(shù)之間關(guān)系的可用數(shù)據(jù)創(chuàng)建數(shù)學(xué)模型。在這里，研究人員的目標(biāo)是模擬和預(yù)測壁厚、長度和高度的幾何變化。采用廣義線性模型(GLM)，這是一種廣義形式的線性回歸，其中響應(yīng)變量通過線性預(yù)測器和連接函數(shù)與自變量相關(guān)。研究人員觀察到數(shù)據(jù)總體上是正常的，使用恒等式連接函數(shù)(見國際標(biāo)準(zhǔn))，并驗證GLM假設(shè)是有效的。

分析框架使大家能夠仔細(xì)檢查構(gòu)建中的位置如何影響零件精度。圖3顯示了在9個構(gòu)建中平均得到的2370個壁中每個的測量特征尺寸（厚度或長度）。研究人員從數(shù)據(jù)中得出三個觀察結(jié)果。首先，壁厚隨印刷臺上的徑向位置而變化。雖然方差分析表明位置對平均零件厚度有重大影響，但特征級信息提供了有關(guān)這種影響如何體現(xiàn)的更詳細(xì)的分析。機(jī)身中心和周長之間的厚度差為8％，這可能是由于機(jī)器的光學(xué)器件和光路所致。其次，UMA的厚度和長度不取決于距零件中心的徑向距離。最后，對于所有位置，平均厚度DFT為-12μm，而平均長度DFT為+16μm。這些平均DFT與先前報道的熱固化聚合物的平均DFT不同，其厚度、長度和每種材料的潛在機(jī)理可能不同，并且尚未探索。

圖3. 該圖顯示了所有90個零件的平均數(shù)據(jù)

該軟件跟蹤增材制造零件的精度如何取決于制造零件的打印機(jī)和零件在打印機(jī)中的位置。此過程通過使用光學(xué)掃描技術(shù)測量零件并分析掃描數(shù)據(jù)而起作用。該分析使用戶可以確定哪些零件是準(zhǔn)確的，并確定哪些打印機(jī)和設(shè)置可以生產(chǎn)出最準(zhǔn)確的零件。

本文來源：Davis J. McGregor et al, Analyzing part accuracy and sources of variability for additively manufactured lattice parts made on multiple printers, Additive Manufacturing (2021).  DOI: 10.1016/j.addma.2021.101924