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(dāng)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(jìn)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(rèn)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(hù)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(jī)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(yán)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(jī)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(dá)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：

　　（1）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(dāng)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(hù)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(jìn)行在線監(jiān)測。

　　電子束打印機(jī)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。

　　（2）粉床鋪粉的一致性監(jiān)測

　　其原理是采用CCD攝像機(jī)，拍攝每一層鋪粉后的粉床照片，通過對比標(biāo)準(zhǔn)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(bǔ)。

　　不同鋪粉狀態(tài)下的信號反饋

　　（3）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(jìn)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(dāng)前打印機(jī)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(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(jiān)測方式也經(jīng)常被采用來提高檢測精度。

　　（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。

　　（2）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(jìn)行，也可以在打印完成后再進(jìn)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(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(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，但在反饋機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(qiáng)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(jī)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(jì)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(jī)制極大影響了金屬3D打印工藝在高端領(lǐng)域的應(yīng)用。