Boom Supersonic是一家成立于2014年的初創(chuàng )企業(yè)，其既定目標是實(shí)現商業(yè)航空的超音速飛行。經(jīng)過(guò)六年發(fā)展，該公司于2020年10月7日推出了XB-1“超音速驗證機”，成為有史以來(lái)第一架自主研發(fā)的超音速飛機。

XB-1定制的復合結構包括3700多個(gè)零件，包括起落架、飛行控制執行器和冷卻系統等。為了解決制造演示機的艱巨任務(wù)，Boom大量采用3D的金屬3D打印技術(shù)來(lái)降低成本并縮短生產(chǎn)時(shí)間。

XB-1上裝載有21個(gè)VELO 3D打印的金屬零件，包含大量的鈦合金薄壁結構。鈦具有極高的耐熱性，但如果冷卻速度過(guò)快，則會(huì )變脆并易于開(kāi)裂。盡管傳統技術(shù)避免了這個(gè)問(wèn)題，但采用機械加工或鑄造也幾乎無(wú)法制造飛機薄壁零件，這也成為使用3D打印背后的驅動(dòng)力之一。

金屬3D打印的成品零件需要經(jīng)過(guò)熱處理和/或熱等靜壓處理來(lái)提高疲勞壽命。當飛機在起飛和著(zhù)陸時(shí)零件會(huì )周期性地加載，超音速飛行也引入了許多不同的現象和壓力。在很多情況下，飛機的整體結構會(huì )圍繞部件彎曲引起應變，當具有不同熱膨脹系數的零件相互安裝時(shí)，也會(huì )產(chǎn)生很大的應力（碳復合材料、鋁合金和鈦合金）。將這些3D打印部件設計的非常薄而且靈活，實(shí)際上可以減輕一些此類(lèi)問(wèn)題。

由于金屬3D打印具有復雜的物理冶金過(guò)程，現行的技術(shù)手段很難確保加工工藝的可重復性和質(zhì)量一致性，這一點(diǎn)極大限制了激光增材制造的廣泛應用，尤其是航空航天領(lǐng)域的高附加值零部件的批量生產(chǎn)。

質(zhì)量保證和過(guò)程監控一直以來(lái)都是金屬3D打印技術(shù)的熱門(mén)研究，有效、可靠的質(zhì)量保證手段是增材制造用戶(hù)最重要的需求。

目前行業(yè)領(lǐng)先的增材制造設備商均采用過(guò)程監控技術(shù)解決這一問(wèn)題， 如EOS的EOSTATE模塊，SLM solutions的QAS模塊，Renishaw的InfiniAM模塊，以及Concept Laser的QMmeltpool模塊等，國內在該領(lǐng)域的發(fā)展稍顯不足。

為了保障航空航天領(lǐng)域對高附加值產(chǎn)品增材制造過(guò)程的可追溯性、工藝可重復性和性能一致性的要求，西安空天機電智能制造有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)西空智造）推出了一款國產(chǎn)激光增材過(guò)程監控系統。該系統包含粉末床在線(xiàn)監控模塊和熔池在線(xiàn)監控模塊等，針對激光粉末床熔融工藝的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行監控。

粉末床監控模塊可以實(shí)現鋪粉狀態(tài)的在線(xiàn)識別，打印精度的實(shí)時(shí)分析以及零件打印結果的三維重構；不僅可用于質(zhì)量監測，還可兼容適應性加工以及零件嫁接。熔池監控模塊一方面可以實(shí)時(shí)監測熔池是否失穩，另一方面可作為工藝策略?xún)?yōu)化的定量化指針以及熔池熔化凝固的熱力學(xué)/動(dòng)力學(xué)分析工具。此外，在線(xiàn)監控也是打印過(guò)程閉環(huán)控制以及智能化的基礎。以下為西空智造在線(xiàn)監控系統模塊的詳細介紹：

1 粉床模塊

1.1 產(chǎn)品簡(jiǎn)介

粉床監控模塊主要用于實(shí)時(shí)監視、分析、評估和控制激光選取融化（Laser selective melting，SLM）設備鋪粉質(zhì)量。自動(dòng)抓取激光掃描和鋪粉結束時(shí)刻圖像，智能識別各類(lèi)鋪粉缺陷，診斷鋪粉異常（包括傳動(dòng)故障、送粉量不足、刮刀損傷、過(guò)燒等）；采取相應的閉環(huán)控制措施（重鋪粉、重掃描、停機報警等），確保打印過(guò)程中鋪粉均勻性和穩定性，提高零件成型質(zhì)量。

1.2 功能介紹

n l 旁軸成像實(shí)時(shí)校正系統，修正相機畸變；

n l 實(shí)時(shí)監控記錄鋪粉后和激光掃描后粉末床狀態(tài)；

n l 粉末床缺陷實(shí)時(shí)智能檢測、標記、反饋；

n l 過(guò)程歷史數據便捷查看，全過(guò)程原始數據可追溯導出；

n l 形成粉末床鋪粉質(zhì)量統計報告。

1.3 典型案例

案例1  提供原始數據供用戶(hù)二次分析，如工藝優(yōu)化。

不同工藝參數及對應成型試塊圖像

案例2  零件質(zhì)量追溯和問(wèn)題分析，如某型號用零件表面出現裂紋

案例3  鋪粉質(zhì)量的自診斷和自動(dòng)控制，如檢測到零件漏出缺陷超閾值，進(jìn)行重鋪粉操作

 案例4 提供缺陷重構三維模型，為離線(xiàn)檢測（如X射線(xiàn)）提供支持。

 三維重構 （左-零件  右-缺陷）

2 熔池模塊

2.1 產(chǎn)品簡(jiǎn)介

熔池監控模塊主要用于實(shí)時(shí)監視、分析和評估SLM設備熔池信息。高速采集打印過(guò)程中熔池等離子體輻射和熔池形貌數據，結合激光掃描路徑形成二維熱圖；通過(guò)熔池特征分析、提取，實(shí)現模型和缺陷三維重構。是工藝開(kāi)發(fā)、質(zhì)量追溯、缺陷分析的重要資源。

2.2 功能介紹

n 同軸光路實(shí)時(shí)采集、顯示和存儲熔池輻射強度信號和形貌圖像；

n 每層熔池形貌圖像、輻射強度信號回放、查看；

n 自動(dòng)形成激光掃描后每層切片的溫度分布熱圖；

n 每層缺陷標記和分類(lèi)，識別溫度過(guò)高，熔池失穩、飛濺過(guò)大等典型缺陷；

n 零件不同位置全過(guò)程原始數據（熔池強度信號和形貌圖像）索引和導出；

n 實(shí)現工程粉末床熔池質(zhì)量統計報告。

2.3 典型案例

案例1  原始數據供用戶(hù)二次分析，如研究工藝參數-熔池狀態(tài)-缺陷或性能映射關(guān)系。

案例2  基于熔池特征的二維熱圖，便于用戶(hù)進(jìn)行質(zhì)量追溯，

案例3 基于熔池特征的三維熱圖，為離線(xiàn)檢測（射線(xiàn)、CT等）提供技術(shù)參考。

3 功率模塊

3.1 產(chǎn)品簡(jiǎn)介

功率監控模塊分別從激光器輸出端、監控適配器、焦平面三處實(shí)測激光功率值，實(shí)時(shí)分析和評估SLM設備輸出功率特性；可實(shí)現激光器實(shí)際輸出功率實(shí)時(shí)監測；功率異常部位快速定位；長(cháng)期工作功率衰減特性分析、提醒、報警和預測。

3.2 功能介紹

n 輸入功率與實(shí)際功率離線(xiàn)標定；

n 激光器輸出端、監控適配器、焦平面共3處進(jìn)行實(shí)際激光功率值監測及存儲；

n 功率監測歷史回放和查看；

n 激光器功率特性實(shí)時(shí)分析和評價(jià)；

n 功率失穩超閾值時(shí)，提示和警告；

n 激光器長(cháng)期工作功率衰減特性分析和預測。

4 系統集成

注:文章部分內容來(lái)源于騰訊新聞。