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。