Stratonics：又一件能控制金屬3D打印質量的神器

除了打印速度和金屬粉末的價值，金屬3D打印仍有許多需要克服的障礙，其中最重要的就是打印質量必須可控且穩(wěn)定。所以一直以來，科學家都在研究如何減少甚至消除粉床金屬3D打印技術所帶來的毛孔的問題。這涉及到許多方面，包括調整加工參數(shù)、過程中工藝監(jiān)測和控制、質量反饋、數(shù)據(jù)相關性分析等等。

針對這一技術痛點，包括美國3DSIM和德國Amphyon在內的一些公司都致力于通過仿真軟件來提高對工藝的預測。另一家來自美國加州的公司Stratonics則正在嘗試通過硬件與軟件的結合實現(xiàn)對打印過程的監(jiān)測與控制。這種方法十分值得重視，因為他們的成果目前已經(jīng)獲得了許多機構和國家實驗室的認可，比如著名的美國橡樹嶺國家實驗室(ORNL)。

在融化過程中，每個激光點創(chuàng)建了一個微型熔池，從粉末融化到冷卻成為固體結構，光斑的大小以及功率帶來的熱量的大小決定了這個微型熔池的大小，從而影響著零件的微晶結構。

為了融化粉末，必須有充足的激光能量被轉移到材料中，以熔化中心區(qū)的粉末，從而創(chuàng)建完全致密的部分，但同時熱量的傳導超出了激光光斑周長，影響到周圍的粉末。當激光后的區(qū)域溫度下降，由于熱傳導的作用，微型熔池周圍出現(xiàn)軟化但不液化的粉粒。

為了達到對熔池熱的監(jiān)測，與通過相機來逐層拍攝的方法不同的是，針對于LENS技術和SLM技術，Stratonics的高分辨率熱成像的感應器是基于雙波長的測量感應方法，結果絕對準確，是真實有效的溫度測量技術。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詳細數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)方式與加工的幾何形狀是關聯(lián)的矩陣式數(shù)據(jù)，從而操作人員可以精確的推測加工參數(shù)是如何影響到成品零件的質量的，包括對激光功率、系統(tǒng)掃描速度、掃描與粉末床的距離、粉末層厚度等等因素的考慮。

當然，也有的3D打印設備廠商通過高溫計來實現(xiàn)對溫度的記錄，然而作為一個波長范圍的結果，單色高溫計可能不準確，高溫計只是給到用戶關于一些大面積的平均溫度，這是溫度的一個指標，但不一定是對絕對溫度的測量。3D科學谷了解到Stratonics的傳感器系統(tǒng)可以應用于從不銹鋼到鈦合金以及其他高溫金屬加工過程中的溫度測量，并不像單色高溫計那樣受到限制。


ThermaViz實時控制軟件
Stratonics的ThermaViz實時控制軟件通過對感應器所反饋的數(shù)據(jù)信息實現(xiàn)對加工過程的調整與控制，當軟件發(fā)現(xiàn)加工過程的會導致零件報廢或出現(xiàn)質量問題的時候，反饋系統(tǒng)將自動調整加工參數(shù)以保證穩(wěn)定的熱輸出。

為此Stratonics還通過賓夕法尼亞大學的Optomec LENS 3D設備做了形象的展示，通過實時熱圖像與標準熱量參數(shù)的匹配，實現(xiàn)對加工過程的自動調整，從而生產(chǎn)出更一致的產(chǎn)品，并實現(xiàn)更好的材料結晶結構。

當然，并不意味著所有的加工都可以實現(xiàn)過程中自動調整，實現(xiàn)完全自動的調整是個長期的努力過程。Stratonics的軟件提供應急的措施還包括，基于對加工工藝的了解和掌握的數(shù)據(jù)分析基礎，當軟件系統(tǒng)判斷加工過程已經(jīng)偏離正常范圍時，還會發(fā)出警報，操作人員可以判斷是否終止加工以避免材料的浪費。

目前，Stratonics的硬件和軟件系統(tǒng)不僅僅獲得了橡樹嶺國家實驗室的認可，還通過了主要的幾家金屬打印設備廠商的認可，并且霍尼韋爾、波音、Aerojet以及德州大學、密西西比州立大學、賓夕法尼亞州立大學都已經(jīng)開始使用Stratonics的硬件和軟件系統(tǒng)。

來源：3D科學谷