增材制造之六西格瑪質量管理（二）

來源：江蘇激光聯(lián)盟

接上文六西格瑪質量管理在增材制造中的應用起源：http://m.lhkhtyz.com/thread-147448-1-1.html，本文繼續(xù)探討6s管理對AM的測量。

如今，6S 概念（例如，6S 設計、精益生產(chǎn)和減少變異）已被廣泛用于提高許多業(yè)務流程的能力。6S計劃的發(fā)展經(jīng)歷了如下三個階段。
第一階段：解決過程監(jiān)控、缺陷消除和可變性減少。
第二階段：降低總生產(chǎn)成本并提高系統(tǒng)性能。
第三階段：強調(diào)為企業(yè)組織創(chuàng)造價值。

然而，通過直接從客戶的數(shù)字設計中實現(xiàn)小批量-高混合生產(chǎn)（甚至是獨一無二的生產(chǎn)），AM朝著高水平的定制邁進，從而實現(xiàn)了“一體經(jīng)濟”。不再像傳統(tǒng)的大規(guī)模制造模式那樣使用相同設計生產(chǎn)的大量零件來建立和測量過程可變性。因此，大規(guī)模制造的6S實踐在普遍適用于AM的能力方面往往受到限制。迫切需要推進AM 6S計劃的下一階段。圖4顯示了定制設計的小批量-高混合生產(chǎn)方案，該方案只能制造一次或小批量制造。請注意，零件幾何形狀存在顯著的層間變化。AM 提出了新的 QA/QC 挑戰(zhàn)：大規(guī)模定制、小批量生產(chǎn)以及零件幾何形狀的層間變化。特別是，由于增材制造中的定制設計和逐層制造，每一層在零件幾何形狀方面都不同的情況并不少見。因此，很難表征和測量從一層到另一層或從一個構建到下一個構建的過程可變性和可重復性。

▲圖4. 小批量-高混合生產(chǎn)方案，用于三維打印中零件幾何圖形逐層變化的定制設計

AM的逐層制造方法給QA/QC 帶來了重大挑戰(zhàn)。許多增材制造工藝使用金屬粉末原材料，其中顆粒大小和形狀因批次而異。此外，激光或電子束被用作 LPBF和DED的加熱源。光束強度和直徑的輕微變化會導致不同機器之間以及構建板上不同位置的相同機器之間的可重復性問題。因此，影響過程最終結果的每個參數(shù)都必須根據(jù)所使用的材料進行調(diào)整。此外，增材制造系統(tǒng)在制造零件時可以使用不同的層厚。使用100μm層厚的2厘米高物體將需要200層。如果層厚度為50μm，則層數(shù)將為400。這些層中的每一層都有失敗的機會。即使單層有缺陷的可能性很小，整個構建也有至少一個缺陷的可能性很高。

值得注意的是，這個例子假設每一層都是相互獨立的。然而，AM 從一層到另一層是高度相關的。換句話說，一層中的缺陷可以在后續(xù)層的處理過程中得到糾正，或者會對下一層和所有后續(xù)層產(chǎn)生負面影響。這類似于傳統(tǒng)制造模式中的多級裝配線。在汽車工業(yè)中，車身裝配通常涉及一系列裝配操作。一個組裝步驟中的變化可能會在以下步驟中引入一系列變化。然而，多級組裝操作的物理原理與每層具有LPBF的多層AM不同。多階段制造系統(tǒng)的6S程序通常會分析過程的當前狀態(tài)，然后使用統(tǒng)計方法和工具逐步提高系統(tǒng)性能。

為AM建立6S范式需要新的創(chuàng)新來應對這些新出現(xiàn)的質量挑戰(zhàn)，包括大規(guī)模定制、小批量生產(chǎn)、層間變化和多層制造工藝，這些在從傳統(tǒng)的大規(guī)模生產(chǎn)轉向新的生產(chǎn)過程中是獨一無二的�！皽y量”需要在AM的不同階段設計和開發(fā)用于材料、工藝和構建后檢查的新傳感器技術�！胺治觥睉�該能夠處理和連接在AM產(chǎn)品生命周期中生成的大數(shù)據(jù)�！案倪M”要求通過物理機器上的統(tǒng)計DOE、AM 過程和/或模擬模型上的計算機實驗，更好地理解過程物理和潛在現(xiàn)象的本體論知識�！翱刂啤睉�考慮增材制造中多層制造工藝的順序決策問題，并進一步解決增材制造的多目標優(yōu)化問題，例如，最大限度地降低LPBF工藝中消耗的總成本（例如，能源或時間）并最大限度地提高質量最后部分。6S質量管理的新科學基礎將影響AM的生產(chǎn)規(guī)�？尚行裕�并使AM能力的開發(fā)能夠超越當前的快速原型制作現(xiàn)狀。

此外，賓夕法尼亞州立大學的CIMP-3D開發(fā)了一個多傳感器套件，用于監(jiān)控和控制商用3D System ProX 320 PBFAM系統(tǒng)，如圖5所示。該多傳感器套件也在3D Systems ProX 200、EOS M280、和 GE Concept Laser M2機器。該系統(tǒng)由多種傳感器組成，如下所示：

• 高分辨率/高倍率成像系統(tǒng)（六種不同的照明方案）；
• 兩個高速/高倍率攝像頭，包括一個帶 405-nm 濾光片的同軸攝像頭和一個帶 520-nm 濾光片的前置攝像頭；
• 高速視頻（> 33 000 fps）；
• 光學過程發(fā)射（100 kHz），包括光譜儀和多光譜傳感器；
• 聲學傳感器（100 kHz）；
• 熱成像和 DMP 熔池傳感器。
  

▲圖5. 用于監(jiān)控Commercial ProX 320 PBFAM系統(tǒng)的多傳感器套件圖示

如圖6所示，AM的構建后質量檢查和功能完整性評估通常使用基于射線照相的計算機斷層掃描 (CT) 進行。在該研究中，使用 GE vTomex M300 微焦 X 射線 CT (XCT) 掃描儀收集AM構建的CT掃描，并使用 Volume Graphic myVGL3.0 軟件進行處理，以提取 AM 構建中每一層的二維圖像配置文件。

▲圖6. 用于構建后檢查的基于射線照相的CT

在增材制造試件和零件開發(fā)過程中，會動態(tài)生成、交換和使用大量數(shù)據(jù)。隨著數(shù)據(jù)量隨著原位傳感和無損檢測 (nondestructive examination, NDE) 的增加而增長，AM 活動生成的數(shù)據(jù)類型也變得更加豐富。AM工藝認證所需的信息不僅包括測量數(shù)據(jù)，還包括材料/機器規(guī)格、設計模型、控制和管理數(shù)據(jù)。表征整個AM過程需要在完整的 AM 價值鏈的背景下，對通過數(shù)千個零件和優(yōu)惠券的構建歷史收集的所有信息進行全面分析。因此，它需要一個有效且高效的AM數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，以確保正確捕獲、存儲和使用數(shù)據(jù)。

未完待續(xù)