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          金屬3D打印過(guò)程監控技術(shù)的監測數據和措施有哪些

          發(fā)布時(shí)間:2021-01-05瀏覽次數:488

          過(guò)程監控技術(shù)是當前金屬3D打印設備發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)方向,眾多3D設備生產(chǎn)商都把過(guò)程監測和質(zhì)量控制的最新技術(shù)增加到自己最新開(kāi)發(fā)的設備中,目前已成為重要用戶(hù)能否信賴(lài)設備品牌的重要影響因素。例如,EOS開(kāi)發(fā)的EOSTATE模塊、雷尼紹InfiniAM Spectral軟件、Velo3D的Assure過(guò)程質(zhì)量控制軟件等。本期,我們回顧金屬3D打印過(guò)程監控技術(shù)的監測數據和措施有哪些。

          當前部分應用質(zhì)量監控的3D打印設備

          過(guò)程監控技術(shù)對金屬3D打印的重要性

          近年來(lái),金屬3D打印技術(shù)無(wú)論從工藝進(jìn)步還是應用拓展,發(fā)展速度都很快,但應用越是廣泛,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部出現微小氣孔、未熔缺陷以及力學(xué)性能各向異性等問(wèn)題。造成這些問(wèn)題的原因很多,如3D打印復雜的熱過(guò)程、金屬粉末特性的不均勻、設備狀態(tài)參數的不穩定(比如激光功率波動(dòng)、溫度變化、保護氣濃度變化等)、零件形狀結構復雜以及工藝設計不匹配等等。


          金屬打印計算機斷層掃描檢測內部缺陷

          這樣一個(gè)復雜的過(guò)程,普通的技術(shù)手段很難確保在零件內部不同區域、零件與零件之間、同一臺設備不同生產(chǎn)批次之間以及不同設備生產(chǎn)的同一零件之間的性能一致,即工藝的可重復性難以保證。工藝可重復性和質(zhì)量一致性是3D打印技術(shù)普及和應用的關(guān)鍵,尤其在航空航天領(lǐng)域和醫療領(lǐng)域尤為重要。借助現代科學(xué)技術(shù)手段,嚴密監控過(guò)程狀態(tài)變化,創(chuàng )建閉環(huán)控制系統,實(shí)時(shí)調節工藝參數是最好的解決辦法。

           

          過(guò)程監控技術(shù)具體能發(fā)揮哪些作用

          第一,可以獲得過(guò)程信息,用來(lái)更好的理解3D打印工藝過(guò)程;

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

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

           

          金屬3D打印過(guò)程需要監測哪些數據

          目前,過(guò)程監控技術(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)量的參數達50多個(gè),每個(gè)參數都會(huì )影響最終零件的質(zhì)量??傮w可分為三類(lèi):

           

          (1)設備狀態(tài)和環(huán)境狀態(tài)的監測

          對于以激光為熱源的3D打印技術(shù)來(lái)說(shuō),首先要監測的設備狀態(tài)參數是激光功率、設備溫度,更復雜的監控涉及到監控束斑的位置和聚焦,當偏差超過(guò)極限時(shí)系統將關(guān)閉。另外,激光3D打印設備都采用惰性氣體保護來(lái)確保金屬熔化時(shí)不發(fā)生氧化,因此也會(huì )對打印環(huán)境中氧含量進(jìn)行在線(xiàn)監測。

          電子束打印機需要監測的參數有真空度、電子槍的電壓、束流、設備溫度等。

           

          2)粉床鋪粉的一致性監測

          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(guò)對比標準的照片數據,檢測粉床的平整度、有無(wú)凸起的高點(diǎn)、有無(wú)夾雜物等,如果發(fā)現問(wèn)題可以通過(guò)一些技術(shù)措施糾正修補。

          不同鋪粉狀態(tài)下的信號反饋

           

          (3)工藝過(guò)程監控

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

           

          3D systems DMP Inspection自動(dòng)執行數據分析

          當前打印機中的過(guò)程監控措施有哪些

          過(guò)程監控技術(shù)是通過(guò)各種傳感器進(jìn)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,多種方法綜合的監測方式也經(jīng)常被采用來(lái)提高檢測精度。

           

          1)光學(xué)傳感器

          光學(xué)傳感技術(shù)在3D打印過(guò)程檢測中應用最多,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(guò)程,獲取信息量大等優(yōu)點(diǎn)。而且由它獲取的圖像經(jīng)處理后,可以得到熔凝過(guò)程動(dòng)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


          光學(xué)傳感技術(shù)可用來(lái)檢測熔池尺寸和熔池溫度的變化等,能夠直接反應熔化過(guò)程金屬的動(dòng)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。

           

          2)聲學(xué)傳感器

          聲學(xué)監測是使用聲學(xué)傳感器來(lái)測量構建過(guò)程中的聲學(xué)信號,以監測那些可以反映打印缺陷的不規則性信號。聲學(xué)監測可以實(shí)時(shí)進(jìn)行,也可以在打印完成后再進(jìn)行。它會(huì )使用一個(gè)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(guò)程就會(huì )十分順利,期間產(chǎn)生的聲學(xué)能量變化也會(huì )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(huì )出現變化。

          GE聲學(xué)監測原理:在缺陷處出現波形變化


          2017年5月,GE獲得了基于粉末床熔融技術(shù)的聲學(xué)監測專(zhuān)利,GE希望通過(guò)一種使用聲波現場(chǎng)監測的方法來(lái)簡(jiǎn)化打印件的驗證,同時(shí)改進(jìn)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(guò)程監控軟件,使工程師能夠檢測和記錄增材制造過(guò)程中的聲波信號。

           

          過(guò)程監控發(fā)展的難點(diǎn)及中外差距

          從以上可知,金屬3D打印過(guò)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(lái)分析金屬3D打印背后的物理學(xué)過(guò)程,并力求在每一次制造金屬零件時(shí)打造出更高的品質(zhì)。

          通常情況下,收集數據容易,但如何處理和分析數據卻有很高的門(mén)檻。目前,國內設備商對打印過(guò)程的監控實(shí)際上多停留在設備狀態(tài)的監控上,對材料成型過(guò)程雖進(jìn)行了數據采集,但在反饋機制上還不盡如人意,面對后續極大體量的數據,更是缺乏分析能力。

          EOS監測模塊可呈現信息


          國外品牌設備商在此方面則領(lǐng)先于國內很多。Velo3D的Assure質(zhì)量保證軟件可以逐層提取和跟蹤數據,對機器的運行狀況進(jìn)行詳盡記錄,監視構建過(guò)程的任何缺陷并預測孔隙率,并最終提供詳細的構建報告。EOS的模塊化監測產(chǎn)品EOSTATE ExposureOT可以完整分析、監測材料在增材制造過(guò)程中的熔化狀態(tài),并定義多種可能的錯誤來(lái)源,而且它還是一個(gè)自主學(xué)習系統,能夠隨著(zhù)數據量的增長(cháng)變得更加智能;GE旗下Concept Laser的QMmeltpool 3D 質(zhì)量監控系統則可以通過(guò)監測和控制打印過(guò)程來(lái)發(fā)現和糾正過(guò)程誤差,避免產(chǎn)品缺陷。

          Sigma Labs PrintRite3D Inspect 4.0軟件用于質(zhì)量保證

          除了設備商推出的系列解決方案外,國外研究機構也在該領(lǐng)域走在前沿。美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗室的工程師正在利用機器學(xué)習算法來(lái)監測預防金屬3D打印部件的缺陷;卡內基梅隆大學(xué)工程學(xué)院的研究人員也在將計算機視覺(jué)算法用于激光粉末床增材制造過(guò)程,并實(shí)現了工藝的實(shí)時(shí)控制。

           

          END

          縱觀(guān)國內外,在該領(lǐng)域的研究和商業(yè)化方面,國內確實(shí)落后,而且國外廠(chǎng)商也正在將該技術(shù)應用于替代傳統的無(wú)損檢測技術(shù)。國內高端應用領(lǐng)域,如航空航天業(yè),對質(zhì)量的要求是最高的,過(guò)程監控技術(shù)無(wú)疑會(huì )增強該領(lǐng)域的應用信心。在一次研討會(huì )上,中國航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機公司的代表提到,質(zhì)量監控是限制航空應用的一項關(guān)鍵因素;國防科工局經(jīng)濟技術(shù)發(fā)展中心的專(zhuān)家也總結到,對整套工藝過(guò)程的信任機制極大影響了金屬3D打印工藝在高端領(lǐng)域的應用。


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