金屬打印過（guò）程中質量控製麵麵觀
點擊量：468 發布時間：2017-03-11 作者：快猫视频APP下载安装（上海）增材製造技術有（yǒu）限公司
提到（dào）3D打印，我（wǒ）們很容易興奮的一點就是定製（zhì）化，但大多數時候，定製化並不是3D打印最吸（xī）引人的地方，反（fǎn）而（ér）是3D打印製（zhì）造複雜產品的能力。在航空航天行業，對於複（fù）雜產品的需求通常來源於（yú）輕量化的（de）要求，而在生命科學領域，複雜的表麵也促使植入物（wù）與人體活性細胞之間更好的相容（róng）性。
然而，複雜（zá）產品也帶來了新的問題：質量控製與檢測（cè）。很多情況下，除非通過高度可靠的無損探傷檢測技術，否（fǒu）則這些3D打印出來的零（líng）件是禁止進入到應用領域的。
圖片來源：3TRPD
零件的幾何（hé）複雜性使得僅僅通過目前的超聲波回波檢測技（jì）術難以判斷是否完全合格（gé）沒問題（tí），而渦流探頭（tóu）往往不能接觸到（dào）零件表麵的每一部分。當然，最好的質量控製不是事後檢測，而是過程（chéng）中控製。根（gēn）據3D科學穀（gǔ）的市場研究，對於目前的（de）過程中控（kòng）製來說，主（zhǔ）要由幾大派係，照相技術和熱成像技（jì）術是目前（qián）相對應用最多的技（jì）術。
層層控製
硬件與軟件技術的結（jié）合（hé）
照相技術（shù）
這是目前最成熟的過程，並且被金屬打印設備廠商例如EOS的EOSTATE和第三方質量控製服務商Sigma Labs所應用。
就拿Sigma Labs的質（zhì）量控製過程來說，在構建過程中，產品按（àn）照垂直方向從底部到頂部被打印出來（Z方向）。每完成一個打印過程，Sigma Labs的PrintRite3D® CONTOUR™係統都會拍照。當整個產品被打印完成時，該係（xì）統將（jiāng）拍（pāi）攝與建模過程對應的每一層（céng）的數（shù）字圖像。通過係統記錄的每一層的圖片，計算（suàn）機將圖片與設計模型的切片（piàn）相對比（bǐ）。
另外，Sigma Labs的（de）PrintRite3D ® INSPECT™軟件利用高溫計和光（guāng）電二極（jí）管檢測熔（róng）池溫度，記錄了（le）其中三個過程變量：1）金屬粉末融化時溫度的“增（zēng）加率”；2）熔池停留在最高溫度多“長”時（shí）間；3）熔池冷卻的“速率”。通過捕獲這三個變量，該係統產生熔池的“電子簽名數據”，從而在每一層的X,Y,Z三維方向（xiàng）上記錄了零件的微觀結構。
在加工中的質量管理（lǐ）方麵，通過PrintRite3D ® INSPECT ™軟（ruǎn）件，基於大量的（de）生產大數據所形成的（de）加（jiā）工參數與產品性能之間的相關性，獲取符合生產要求的零件所對應的加工參數作為“基準（zhǔn）數據”。除非與零件的機械和冶金特性（xìng）數據（jù）具有相關性，否則該加工參數（shù）的值幾乎沒有任何意義。這意味著首先（xiān）必須產（chǎn）生（shēng）大量（liàng）的（de）測試樣本來生成這個屬性數據，並將屬性數（shù）據關聯到加工參數的“電子簽名數據”。從而在新的加工過（guò）程中將每一層的“電子簽名數據”與“基（jī）準數據”相對比。
在過程質量控（kòng）製中挑戰的是正（zhèng）確的收集數據（jù）的技術和分析能（néng）力。相關分析與回歸分析都（dōu）是研究變量相互關係的分析（xī）方法，而相關性分析是指對兩個或多個具備相關性的變量元素（sù）進行分析，從而衡量兩個（gè）變量因素的相關密切程度。相關性（xìng）的元素之（zhī）間需要存在一定的聯係或者概率才可以進行相關性分析。相關分析是回（huí）歸分析的基礎，而回歸分析則（zé）是認識變量之間（jiān）相關程度的具體（tǐ）形式。
PrintRite3D ® INSPECT ™將超出變量回歸（guī）範圍的加工定義為（wéi）可疑的(Suspect),而在回歸範（fàn）圍內的定義為可接收的(Accept)。為（wéi）研究粉末床增（zēng）材製造技術在製造過程中（zhōng）的（de）質量（liàng）控（kòng）製和追溯（sù）提供（gòng）了科學的方法。
就在2016年12月，Sigma Labs還（hái）與霍尼韋爾（ěr）新簽40萬美（měi）元（yuán）的合同，旨在加強鋪（pù）粉技術的3D打（dǎ）印過（guò）程質量控製。
另外（wài），關於機器視覺和數字圖像（xiàng）處理技術，針對這一領域的巨大（dà）投資正在使得包括增材製造行業受益，而且免去了專門（mén）為此研發（fā）的成本。視（shì）覺係統（tǒng）的更大（dà）的優勢是（shì）知道哪些視覺線索，這些複雜的數據，可以被嵌入（rù）在（zài）增（zēng）材製造質量控製軟件中。
熱成像（xiàng）技術
在融化過程中，每個激光點創建（jiàn）了一個微型熔池，從粉（fěn）末融（róng）化到冷（lěng）卻成為固體結構，光斑的大小以及（jí）功率帶來的熱量的大小（xiǎo）決定了這個微型熔池的大小，從而影響著（zhe）零件的微晶結構（gòu）。
為了融化粉（fěn）末，必須有充足的激光能（néng）量被（bèi）轉移到材料中，以熔化中心區的（de）粉末，從而創建完全致密的部分，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。當激光後（hòu）的區域溫度下降，由於熱傳導的作（zuò）用，微型熔池周圍出現（xiàn）軟（ruǎn）化但不液化的粉粒。通過熱成像技（jì）術達到過程中（zhōng）質量控製的目的，在這一領域的代表性企業是Stratonics。
為了達到對熔池熱的監測，與通過相機來逐層拍攝的方法不同的是，針對於LENS技術和（hé）SLM技術，Stratonics的（de）高分辨率熱成像的感應器（qì）是基於雙波長的測量感應方法，結果準（zhǔn）確，是真實有效的溫度測量技（jì）術。從而可以獲得材料加熱熔化過程的溫度變化，以（yǐ）及它如何傳導熱量和如何冷卻的詳細數據（jù）。這些數據的呈現方式與加工的幾何形狀是關聯的矩陣式數據，從而操作人員可以精確（què）的推測加（jiā）工參數是如何影響到成品零（líng）件的質量的，包括對激光功率、係統掃描速度、掃描與粉（fěn）末床的（de）距離、粉末層厚度等等因素的考慮。
當然，也有的3D打印設（shè）備廠商通過高溫（wēn）計來實現（xiàn）對溫度的記錄，然而作為一個波長範圍的結果，單色高溫計可能不準確，高溫計隻是給到用戶關於一些大麵積的平均溫度，這是溫度的一個指標，但（dàn）不一定是對絕對溫度的測量。3D科學穀了解（jiě）到（dào）Stratonics的傳感器係統（tǒng）可（kě）以應用於從（cóng）不鏽鋼到鈦合金以（yǐ）及其他高（gāo）溫金屬加工過程中的溫（wēn）度測量，並不像單色高溫計（jì）那（nà）樣（yàng）受到限製。
Stratonics的ThermaViz實時控製軟件通過對感應器所反饋的數據信息實現對加工（gōng）過程的調整與控（kòng）製，當軟件發現加工（gōng）過程的會導致零件報廢或出現質量問（wèn）題的時候，反饋係（xì）統將自動調整加工參數以保證穩定的熱（rè）輸出。通過實時熱圖像與標準（zhǔn）熱量參（cān）數的匹（pǐ）配，實現對加工過程的自動調整，從（cóng）而生產出更一致的產品，並實現更好的材料結晶結（jié）構。
其他過程質量控製手段還包括熔（róng）池光譜學和超聲波技術，這些技術處於快速開發階段，3D科學穀將保持密切關注。
