Stratonics：又一件能控制金屬3D打印質(zhì)量的神器

除了打印速度和金屬粉末的價(jià)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(zhì)量必須可控且穩(wěn)定。所以一直以來，科學(xué)家都在研究如何減少甚至消除粉床金屬3D打印技術(shù)所帶來的毛孔的問題。這涉及到許多方面，包括調(diào)整加工參數(shù)、過程中工藝監(jiān)測(cè)和控制、質(zhì)量反饋、數(shù)據(jù)相關(guān)性分析等等。

針對(duì)這一技術(shù)痛點(diǎn)，包括美國3DSIM和德國Amphyon在內(nèi)的一些公司都致力于通過仿真軟件來提高對(duì)工藝的預(yù)測(cè)。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(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)打印過程的監(jiān)測(cè)與控制。這種方法十分值得重視，因?yàn)樗麄兊某晒�目前已�?jīng)獲得了許多機(jī)構(gòu)和國家實(shí)驗(yàn)室的認(rèn)可，比如著名的美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)。

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

為了融化粉末，必須有充足的激光能量被轉(zhuǎn)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(shí)熱量的傳導(dǎo)超出了激光光斑周長，影響到周圍的粉末。當(dāng)激光后的區(qū)域溫度下降，由于熱傳導(dǎo)的作用，微型熔池周圍出現(xiàn)軟化但不液化的粉粒。

為了達(dá)到對(duì)熔池?zé)岬谋O(jiān)測(cè)，與通過相機(jī)來逐層拍攝的方法不同的是，針對(duì)于LENS技術(shù)和SLM技術(shù)，Stratonics的高分辨率熱成像的感應(yīng)器是基于雙波長的測(cè)量感應(yīng)方法，結(jié)果絕對(duì)準(zhǔn)確，是真實(shí)有效的溫度測(cè)量技術(shù)。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(dǎo)熱量和如何冷卻的詳細(xì)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(guān)聯(lián)的矩陣式數(shù)據(jù)，從而操作人員可以精確的推測(cè)加工參數(shù)是如何影響到成品零件的質(zhì)量的，包括對(duì)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(dāng)然，也有的3D打印設(shè)備廠商通過高溫計(jì)來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的記錄，然而作為一個(gè)波長范圍的結(jié)果，單色高溫計(jì)可能不準(zhǔn)確，高溫計(jì)只是給到用戶關(guān)于一些大面積的平均溫度，這是溫度的一個(gè)指標(biāo)，但不一定是對(duì)絕對(duì)溫度的測(cè)量。3D科學(xué)谷了解到Stratonics的傳感器系統(tǒng)可以應(yīng)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(cè)量，并不像單色高溫計(jì)那樣受到限制。


ThermaViz實(shí)時(shí)控制軟件
Stratonics的ThermaViz實(shí)時(shí)控制軟件通過對(duì)感應(yīng)器所反饋的數(shù)據(jù)信息實(shí)現(xiàn)對(duì)加工過程的調(diào)整與控制，當(dāng)軟件發(fā)現(xiàn)加工過程的會(huì)導(dǎo)致零件報(bào)廢或出現(xiàn)質(zhì)量問題的時(shí)候，反饋系統(tǒng)將自動(dòng)調(diào)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(xué)的Optomec LENS 3D設(shè)備做了形象的展示，通過實(shí)時(shí)熱圖像與標(biāo)準(zhǔn)熱量參數(shù)的匹配，實(shí)現(xiàn)對(duì)加工過程的自動(dòng)調(diào)整，從而生產(chǎn)出更一致的產(chǎn)品，并實(shí)現(xiàn)更好的材料結(jié)晶結(jié)構(gòu)。

當(dāng)然，并不意味著所有的加工都可以實(shí)現(xiàn)過程中自動(dòng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)的調(diào)整是個(gè)長期的努力過程。Stratonics的軟件提供應(yīng)急的措施還包括，基于對(duì)加工工藝的了解和掌握的數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)，當(dāng)軟件系統(tǒng)判斷加工過程已經(jīng)偏離正常范圍時(shí)，還會(huì)發(fā)出警報(bào)，操作人員可以判斷是否終止加工以避免材料的浪費(fèi)。

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

來源：3D科學(xué)谷