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金屬3D打印質(zhì)量的有力保障——過程監(jiān)控技術(shù)

作者:3d打印達人  來源:zbbyby.com/  更新時間:2022-03-29 9:54:01  點擊次數(shù):

  金屬3D打印質(zhì)量的有力保障——過程監(jiān)控技術(shù)

  過程監(jiān)控技術(shù)是當前金屬3D打印設(shè)備發(fā)展的一個熱點方向,眾多3D設(shè)備生產(chǎn)商都把過程監(jiān)測和質(zhì)量控制的最新技術(shù)增加到自己最新開發(fā)的設(shè)備中,目前已成為重要用戶能否信賴設(shè)備品牌的重要影響因素。例如,EOS開發(fā)的EOSTATE模塊,Arcam開發(fā)的LayerQam,Sciaky開發(fā)的Sciaky’s IRISS?等。

  過程監(jiān)測技術(shù)對金屬3D打印的重要性

  近年來,金屬3D打印技術(shù)無論從工藝進步還是應(yīng)用拓展,發(fā)展速度都很快,但應(yīng)用越是廣泛,人們對這項技術(shù)的認知就越深入,零件的安全性就越發(fā)被看重。

  然而,金屬3D打印至今仍未能成功解決零件內(nèi)部出現(xiàn)微小氣孔、未熔缺陷以及力學(xué)性能各向異性等問題。造成這些問題的原因很多,如3D打印復(fù)雜的熱過程、金屬粉末特性的不均勻、設(shè)備狀態(tài)參數(shù)的不穩(wěn)定(比如激光功率波動、溫度變化、保護氣濃度變化等)、零件形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及工藝設(shè)計不匹配等等。

  金屬打印計算機斷層掃描檢測內(nèi)部缺陷

  這樣一個復(fù)雜的過程,普通的技術(shù)手段很難確保在零件內(nèi)部不同區(qū)域、零件與零件之間、同一臺設(shè)備不同生產(chǎn)批次之間以及不同設(shè)備生產(chǎn)的同一零件之間的性能一致,即工藝的可重復(fù)性難以保證。工藝可重復(fù)性和質(zhì)量一致性是3D打印技術(shù)普及和應(yīng)用的關(guān)鍵,尤其在航空航天領(lǐng)域和醫(yī)療領(lǐng)域尤為重要。借助現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段,嚴密監(jiān)控過程狀態(tài)變化,創(chuàng)建閉環(huán)控制系統(tǒng),實時調(diào)節(jié)工藝參數(shù)是最好的解決辦法。

  過程監(jiān)控技術(shù)具體能發(fā)揮哪些作用?

  第一,可以獲得過程信息,用來更好的理解3D打印工藝過程;

  第二,可代替無損檢測提供整個制造過程的質(zhì)量分析方法,并為高端用戶建立信任機制。

  第三,可以幫助建立3D打印過程的閉環(huán)控制,實現(xiàn)工藝控制智能化,制造零缺陷零件。

  3D打印過程需要監(jiān)測哪些數(shù)據(jù)?

  目前,過程監(jiān)控技術(shù)主要針對粉末床激光和電子束熔融技術(shù),其影響3D打印質(zhì)量的參數(shù)達50多個,每個參數(shù)都會影響最終零件的質(zhì)量。總體可分為三類:

 ?。?)設(shè)備狀態(tài)和環(huán)境狀態(tài)的監(jiān)測

  對于以激光為熱源的3D打印技術(shù)來說,首先要監(jiān)測的設(shè)備狀態(tài)參數(shù)是激光功率、設(shè)備溫度,更復(fù)雜的監(jiān)控涉及到監(jiān)控束斑的位置和聚焦,當偏差超過極限時系統(tǒng)將關(guān)閉。另外,激光3D打印設(shè)備都采用惰性氣體保護來確保金屬熔化時不發(fā)生氧化,因此也會對打印環(huán)境中氧含量進行在線監(jiān)測。

  電子束打印機需要監(jiān)測的參數(shù)有真空度、電子槍的電壓、束流、設(shè)備溫度等。

 ?。?)粉床鋪粉的一致性監(jiān)測

  其原理是采用CCD攝像機,拍攝每一層鋪粉后的粉床照片,通過對比標準的照片數(shù)據(jù),檢測粉床的平整度、有無凸起的高點、有無夾雜物等,如果發(fā)現(xiàn)問題可以通過一些技術(shù)措施糾正修補。

  不同鋪粉狀態(tài)下的信號反饋

 ?。?)工藝過程監(jiān)控

  工藝過程的的監(jiān)測是最為復(fù)雜的。主要有熔池溫度的監(jiān)測、熔池形狀參數(shù)的監(jiān)測、掃描軌跡以及粉床溫度的檢測等。同時,工藝監(jiān)控模塊還需要測量熔化過程的熱量排放,始終控制材料的掃描過程和熔化特性,識別出每種可能的缺陷類型,包括孔洞、孔隙、固體夾雜物或不完全熔合等。電子束選區(qū)熔化對粉床溫度的監(jiān)測尤為重要,這種工藝要對每一層粉末進行預(yù)熱,預(yù)熱的溫度是決定成敗的關(guān)鍵因素。

  3D systems DMP Inspection自動執(zhí)行數(shù)據(jù)分析

  當前打印機中的過程監(jiān)控措施有哪些?

  過程監(jiān)控技術(shù)是通過各種傳感器進行信息采集的,常用的傳感方法包括:聲學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)傳感等,多種方法綜合的監(jiān)測方式也經(jīng)常被采用來提高檢測精度。

 ?。?)光學(xué)傳感器

  光學(xué)傳感技術(shù)在3D打印過程檢測中應(yīng)用最多,相對于其他幾種傳感方式,光學(xué)傳感具有不與工件接觸,不影響成型過程,獲取信息量大等優(yōu)點。而且由它獲取的圖像經(jīng)處理后,可以得到熔凝過程動態(tài)熔池的二維或三維信息。

  光學(xué)檢測的單層圖像與三維可視化圖像(來源見后注)

  光學(xué)傳感技術(shù)可用來檢測熔池尺寸和熔池溫度的變化等,能夠直接反應(yīng)熔化過程金屬的動態(tài)行為,以及激光的位置和聚焦性能,粉末床表面的特性等。

 ?。?)聲學(xué)傳感器

  聲學(xué)監(jiān)測是使用聲學(xué)傳感器來測量構(gòu)建過程中的聲學(xué)信號,以監(jiān)測那些可以反映打印缺陷的不規(guī)則性信號。聲學(xué)監(jiān)測可以實時進行,也可以在打印完成后再進行。它會使用一個完好的工件作為對比,即將該工件的聲音波形與傳感器產(chǎn)生的波形做對比。如果打印質(zhì)量較好,那么熔融過程就會十分順利,期間產(chǎn)生的聲學(xué)能量變化也會非常小。反之,如果打印質(zhì)量較差,即打印件存在缺陷(如裂紋或空隙),那么聲學(xué)信號就會出現(xiàn)變化。

  GE聲學(xué)監(jiān)測原理:在缺陷處出現(xiàn)波形變化

  2017年5月,GE獲得了基于粉末床熔融技術(shù)的聲學(xué)監(jiān)測專利,GE希望通過一種使用聲波現(xiàn)場監(jiān)測的方法來簡化打印件的驗證,同時改進3D打印功能性金屬零件的工作流程。2019年,雷尼紹也推出了 InfiniAM Sonic聲波過程監(jiān)控軟件,使工程師能夠檢測和記錄增材制造過程中的聲波信號。

  發(fā)展難點及中外差距

  從以上可知,金屬3D打印過程質(zhì)量檢測目前是使用一系列的傳感器和成像技術(shù)來分析金屬3D打印背后的物理學(xué)過程,并力求在每一次制造金屬零件時打造出更高的品質(zhì)。

  通常情況下,收集數(shù)據(jù)容易,但如何處理和分析數(shù)據(jù)卻有很高的門檻。目前,國內(nèi)設(shè)備商對打印過程的監(jiān)控實際上多停留在設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控上,對材料成型過程雖進行了數(shù)據(jù)采集,但在反饋機制上還不盡如人意,面對后續(xù)極大體量的數(shù)據(jù),更是缺乏分析能力。

  EOS監(jiān)測模塊可呈現(xiàn)信息

  國外品牌設(shè)備商在此方面則領(lǐng)先于國內(nèi)很多。EOS的模塊化監(jiān)測產(chǎn)品EOSTATE ExposureOT可以完整分析、監(jiān)測材料在增材制造過程中的熔化狀態(tài),并定義多種可能的錯誤來源,而且它還是一個自主學(xué)習(xí)系統(tǒng),能夠隨著數(shù)據(jù)量的增長變得更加智能;雷尼紹的LaserVIEW和MeltVIEW模塊可以實時監(jiān)控打印過程并最終將數(shù)據(jù)以3D形式呈現(xiàn),面對龐大的數(shù)據(jù)量,雷尼紹InfiniAM Spectral軟件可以對其解讀并確定打印質(zhì)量。GE旗下Concept Laser的QMmeltpool 3D 質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)則可以通過監(jiān)測和控制打印過程來發(fā)現(xiàn)和糾正過程誤差,避免產(chǎn)品缺陷。

  軟件可解讀監(jiān)測數(shù)據(jù)

  除了設(shè)備商推出的系列解決方案外,國外研究機構(gòu)也在該領(lǐng)域走在前沿。美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的工程師正在利用機器學(xué)習(xí)算法來監(jiān)測預(yù)防金屬3D打印部件的缺陷;卡內(nèi)基梅隆大學(xué)工程學(xué)院的研究人員也在將計算機視覺算法用于激光粉末床增材制造過程,并實現(xiàn)了工藝的實時控制。

  縱觀國內(nèi)外,在該領(lǐng)域的研究和商業(yè)化方面,國內(nèi)確實落后,而且國外廠商也正在將該技術(shù)應(yīng)用于替代傳統(tǒng)的無損檢測技術(shù)。國內(nèi)高端應(yīng)用領(lǐng)域,如航空航天業(yè),對質(zhì)量的要求是最高的,過程監(jiān)控技術(shù)無疑會增強該領(lǐng)域的應(yīng)用信心。在一次研討會上,中國航發(fā)商用航空發(fā)動機公司的代表提到,質(zhì)量監(jiān)控是限制航空應(yīng)用的一項關(guān)鍵因素;國防科工局經(jīng)濟技術(shù)發(fā)展中心的專家也總結(jié)到,對整套工藝過程的信任機制極大影響了金屬3D打印工藝在高端領(lǐng)域的應(yīng)用。

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