金屬打印過(guò)程中質(zhì)量控制面面觀

提到3D打印，我們很容易興奮的一點(diǎn)就是定制化，但大多數(shù)時(shí)候，定制化并不是3D打印最吸引人的地方，反而是3D打印制造復(fù)雜產(chǎn)品的能力。在航空航天行業(yè)，對(duì)于復(fù)雜產(chǎn)品的需求通常來(lái)源于輕量化的要求，而在生命科學(xué)領(lǐng)域，復(fù)雜的表面也促使植入物與人體活性細(xì)胞之間更好的相容性。

然而，復(fù)雜產(chǎn)品也帶來(lái)了新的問(wèn)題：質(zhì)量控制與檢測(cè)。很多情況下，除非通過(guò)高度可靠的無(wú)損探傷檢測(cè)技術(shù)，否則這些3D打印出來(lái)的零件是禁止進(jìn)入到應(yīng)用領(lǐng)域的。

圖片來(lái)源：3TRPD

零件的幾何復(fù)雜性使得僅僅通過(guò)目前的超聲波回波檢測(cè)技術(shù)難以判斷是否完全合格沒(méi)問(wèn)題，而渦流探頭往往不能接觸到零件表面的每一部分。當(dāng)然，最好的質(zhì)量控制不是事后檢測(cè)，而是過(guò)程中控制，對(duì)于目前的過(guò)程中控制來(lái)說(shuō)，主要由幾大派系，照相技術(shù)和熱成像技術(shù)是目前相對(duì)應(yīng)用最多的技術(shù)。

照相技術(shù)

這是目前最成熟的過(guò)程，并且被金屬打印設(shè)備廠商例如EOS的EOSTATE和第三方質(zhì)量控制服務(wù)商Sigma Labs所應(yīng)用。

就拿Sigma Labs的質(zhì)量控制過(guò)程來(lái)說(shuō)，在構(gòu)建過(guò)程中，產(chǎn)品按照垂直方向從底部到頂部被打印出來(lái)（Z方向）。每完成一個(gè)打印過(guò)程，Sigma Labs的PrintRite3D® CONTOUR™系統(tǒng)都會(huì)拍照。當(dāng)整個(gè)產(chǎn)品被打印完成時(shí)，該系統(tǒng)將拍攝與建模過(guò)程對(duì)應(yīng)的每一層的數(shù)字圖像。通過(guò)系統(tǒng)記錄的每一層的圖片，計(jì)算機(jī)將圖片與設(shè)計(jì)模型的切片相對(duì)比。

另外，Sigma Labs的PrintRite3D ® INSPECT™軟件利用高溫計(jì)和光電二極管檢測(cè)熔池溫度，記錄了其中三個(gè)過(guò)程變量：1）金屬粉末融化時(shí)溫度的“增加率”；2）熔池停留在最高溫度多“長(zhǎng)”時(shí)間；3）熔池冷卻的“速率”。通過(guò)捕獲這三個(gè)變量，該系統(tǒng)產(chǎn)生熔池的“電子簽名數(shù)據(jù)”，從而在每一層的X,Y,Z三維方向上記錄了零件的微觀結(jié)構(gòu)。

在加工中的質(zhì)量管理方面，通過(guò)PrintRite3D ® INSPECT ™軟件，基于大量的生產(chǎn)大數(shù)據(jù)所形成的加工參數(shù)與產(chǎn)品性能之間的相關(guān)性，獲取符合生產(chǎn)要求的零件所對(duì)應(yīng)的加工參數(shù)作為“基準(zhǔn)數(shù)據(jù)”。除非與零件的機(jī)械和冶金特性數(shù)據(jù)具有相關(guān)性，否則該加工參數(shù)的值幾乎沒(méi)有任何意義。這意味著首先必須產(chǎn)生大量的測(cè)試樣本來(lái)生成這個(gè)屬性數(shù)據(jù)，并將屬性數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)到加工參數(shù)的“電子簽名數(shù)據(jù)”。從而在新的加工過(guò)程中將每一層的“電子簽名數(shù)據(jù)”與“基準(zhǔn)數(shù)據(jù)”相對(duì)比。

在過(guò)程質(zhì)量控制中挑戰(zhàn)的是正確的收集數(shù)據(jù)的技術(shù)和分析能力。相關(guān)分析與回歸分析都是研究變量相互關(guān)系的分析方法，而相關(guān)性分析是指對(duì)兩個(gè)或多個(gè)具備相關(guān)性的變量元素進(jìn)行分析，從而衡量?jī)蓚�(gè)變量因素的相關(guān)密切程度。相關(guān)性的元素之間需要存在一定的聯(lián)系或者概率才可以進(jìn)行相關(guān)性分析。相關(guān)分析是回歸分析的基礎(chǔ)，而回歸分析則是認(rèn)識(shí)變量之間相關(guān)程度的具體形式。

PrintRite3D ® INSPECT ™將超出變量回歸范圍的加工定義為可疑的(Suspect),而在回歸范圍內(nèi)的定義為可接收的(Accept)。為研究粉末床增材制造技術(shù)在制造過(guò)程中的質(zhì)量控制和追溯提供了科學(xué)的方法。

就在2016年12月，Sigma Labs還與霍尼韋爾新簽40萬(wàn)美元的合同，旨在加強(qiáng)鋪粉技術(shù)的3D打印過(guò)程質(zhì)量控制。

另外，關(guān)于機(jī)器視覺(jué)和數(shù)字圖像處理技術(shù)，針對(duì)這一領(lǐng)域的巨大投資正在使得包括增材制造行業(yè)受益，而且免去了專門為此研發(fā)的成本。視覺(jué)系統(tǒng)的更大的優(yōu)勢(shì)是知道哪些視覺(jué)線索，這些復(fù)雜的數(shù)據(jù)，可以被嵌入在增材制造質(zhì)量控制軟件中。

熱成像技術(shù)

在融化過(guò)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(lái)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(zhǎng)，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。通過(guò)熱成像技術(shù)達(dá)到過(guò)程中質(zhì)量控制的目的，在這一領(lǐng)域的代表性企業(yè)是Stratonics。

為了達(dá)到對(duì)熔池?zé)岬谋O(jiān)測(cè)，與通過(guò)相機(jī)來(lái)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(zhǎng)的測(cè)量感應(yīng)方法，結(jié)果準(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(guò)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。

超聲過(guò)程檢測(cè)，圖片來(lái)源：TWI

當(dāng)然，也有的3D打印設(shè)備廠商通過(guò)高溫計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的記錄，然而作為一個(gè)波長(zhǎng)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(guò)程中的溫度測(cè)量，并不像單色高溫計(jì)那樣受到限制。

Stratonics的ThermaViz實(shí)時(shí)控制軟件通過(guò)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(guò)程的調(diào)整與控制，當(dāng)軟件發(fā)現(xiàn)加工過(guò)程的會(huì)導(dǎo)致零件報(bào)廢或出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)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。通過(guò)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(guò)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)。

其他過(guò)程質(zhì)量控制手段還包括熔池光譜學(xué)和超聲波技術(shù)，這些技術(shù)處于快速開(kāi)發(fā)階段。

來(lái)源：3d科學(xué)谷

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