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，針對激光粉末床熔融工藝的兩個(gè)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。接下來(lái)，我們將逐一進(jìn)行介紹，并對典型應用場(chǎng)景進(jìn)行展示。

鋪粉監控模塊

簡(jiǎn)介：鋪粉監控模塊主要用于監測激光粉末床熔融制造過(guò)程鋪粉和打印后狀態(tài)監測；識別鋪粉和打印過(guò)程中的異?，F象，進(jìn)行缺陷智能化分析，實(shí)時(shí)閉環(huán)控制，保證鋪粉和成型質(zhì)量，提高打印過(guò)程的可控性。粉床加工過(guò)程

過(guò)程監測：基于圖像處理和機器學(xué)習算法，實(shí)時(shí)對鋪粉和打印過(guò)程的缺陷進(jìn)行標記和分類(lèi)，包括刮刀抖動(dòng)、刮刀拖拽、不完全鋪粉、零件漏出、黑斑等典型異常。

閉環(huán)控制：針對異常情況實(shí)時(shí)反饋，如再鋪粉、停機、工藝參數調整等，確保打印過(guò)程中鋪粉均勻性和穩定性，提高打印質(zhì)量。

統計分析：全過(guò)程的歷時(shí)數據可便捷查看和追溯，可進(jìn)行三維模型重構，并對不同切片特征進(jìn)行觀(guān)察和缺陷統計，出具零件質(zhì)量分析報告。

用戶(hù)參與：可實(shí)現實(shí)體區域自定義、每層區域自定義、各類(lèi)缺陷閾值自定義、原始數據提供，同時(shí)支持用戶(hù)個(gè)性化定制。

熔池在線(xiàn)監控模塊

簡(jiǎn)介：熔池監控模塊是一種將激光粉末床熔融過(guò)程中熔池信息可視化的監測工具。實(shí)時(shí)記錄生產(chǎn)過(guò)程中熔池產(chǎn)生的等離子體輻射和熔池形貌數據，是工藝開(kāi)發(fā)、優(yōu)化和評估的重要資源?？蓪⒘悴考a(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量信息完整記錄并標識出生產(chǎn)過(guò)程中所存在的異常情況，形成質(zhì)量文件以供用戶(hù)參考。

過(guò)程監測：基于信號和圖像處理算法，獲得高質(zhì)量的熔池輻射強度、熔池形貌等信息；實(shí)時(shí)解析獲取激光掃描X/Y位置；實(shí)時(shí)監測激光開(kāi)關(guān)、激光功率等。實(shí)時(shí)對打印層缺陷進(jìn)行標記和分類(lèi)，包括溫度過(guò)高，熔池失穩、飛濺過(guò)大等典型缺陷。

閉環(huán)控制：由于熔池特征較為復雜，影響因素較多，整個(gè)過(guò)程有著(zhù)非常高的動(dòng)態(tài)特性，開(kāi)發(fā)自動(dòng)修正反饋回路，硬件和工藝層面均面臨巨大挑戰,目前該功能仍處于研制階段。

統計分析：精細化分析歷史數據，全過(guò)程數據可追溯和用戶(hù)操作日志查看，不同切面掃描特征觀(guān)察及缺陷統計，及零件3D模型分析報告。

用戶(hù)參與：支持缺陷最小識別率設定、不同缺陷閾值自定義、原始數據提供以及用戶(hù)個(gè)性化定制。

三維可視化及缺陷重構代替CT檢測

基于監測數據生成三維模型，結合圖像處理算法和機器學(xué)習算法實(shí)現缺陷重構，對缺陷位置、類(lèi)型和形貌進(jìn)行標記和分類(lèi)，代替昂貴的CT檢測結果。

工藝策略控制和優(yōu)化工具

為用戶(hù)提供所有原始數據，配置數據分析模塊和工具，為工藝優(yōu)化提供解決方案和思路。

缺陷識別與反饋

建立3D打印過(guò)程的閉環(huán)控制，實(shí)現工藝控制智能化和零缺陷零件制造。

鋪粉狀態(tài)以及打印過(guò)程中的在線(xiàn)監測不僅有利于深入理解粉末床激光熔融的物理冶金過(guò)程，同時(shí)可作為保證零件質(zhì)量的重要手段。西空智造推出的增材制造過(guò)程監控系統，無(wú)疑將推動(dòng)國產(chǎn)金屬增材制造技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程，同時(shí)將為航空航天增材制造的工藝穩定性和可重復性提供質(zhì)量保障。目前，該產(chǎn)品已在空軍工程大學(xué)航空備件應急保障制造和搶修中得到應用。

3D打印熔池監控設備也曾在2019年5月11日開(kāi)幕的第四屆絲博會(huì )上引起關(guān)注。當時(shí)該設備為西安空天能源動(dòng)力智能制造研究院有限公司（西空智造股東）在參與“航空發(fā)動(dòng)機及燃氣輪機”（簡(jiǎn)稱(chēng)：“兩機”）國家重大科技專(zhuān)項研究中取得技術(shù)突破，解決了3Ｄ打印在線(xiàn)監控、質(zhì)量回溯和工藝優(yōu)化方面的“可視化”難題。

近年來(lái)，國內外掀起了3D打印增材制造技術(shù)發(fā)展熱潮，已被運用到多種行業(yè)領(lǐng)域，而3D打印的金屬增材制造技術(shù)想要達到大規模應用，質(zhì)量的一致性就成了最主要的挑戰之一。只有在成形過(guò)程中實(shí)施熔池在線(xiàn)監控，實(shí)時(shí)有效的獲取工藝過(guò)程大數據，才能實(shí)現質(zhì)量回溯、質(zhì)量管控及工藝優(yōu)化。據悉，金屬增材制造在線(xiàn)監控存在一系列技術(shù)難題，如光譜波段選擇與分光濾光、海量數據快速存儲和實(shí)時(shí)分析、監測數據重構與制造質(zhì)量關(guān)聯(lián)等。

據介紹，這個(gè)看似不起眼的“藍盒子”，卻能解決大問(wèn)題，它是一種在粉末床激光熔融和激光熔覆加工過(guò)程中將熔池信息可視化的檢測工具。該設備由西安空天能源動(dòng)力智能制造研究院有限公司聯(lián)合等離子體動(dòng)力學(xué)國家級重點(diǎn)實(shí)驗室研發(fā)，由西安空天機電智能制造公司進(jìn)行不斷升級優(yōu)化，并在2020年上海tct展上獲得一致好評。設備包含硬件和軟件等全套解決方案，可以在已有增材制造商業(yè)化設備上加裝，可實(shí)時(shí)、快速、可靠地監測熔池輻射強度變化并分析熔池形貌信息，同時(shí)獲取熔池對流特性和溫度梯度信息，并通過(guò)熔池監測對成形缺陷智能識別。

相關(guān)負責人表示：“目前，這款產(chǎn)品已經(jīng)在襄陽(yáng)航泰、北京易加三維等單位進(jìn)行試用，在鈦合金整體葉盤(pán)增材制造與修復、單晶/定向凝固葉片修復等卡脖子技術(shù)突破和產(chǎn)業(yè)化中發(fā)揮重要作用?！?/span>

轉載自3D打印技術(shù)參考