金屬列印過程中質量控制面面觀

提到3D列印，我們很容易興奮的一點就是定製化，但大多數時候，定製化並不是3D列印最吸引人的地方，反而是3D列印製造複雜產品的能力。在航空航天行業，對於複雜產品的需求通常來源於輕量化的要求，而在生命科學領域，複雜的表面也促使植入物與人體活性細胞之間更好的相容性。

然而，複雜產品也帶來了新的問題：質量控制與檢測。很多情況下，除非通過高度可靠的無損探傷檢測技術，否則這些3D列印出來的零件是禁止進入到應用領域的。

圖片來源：3TRPD

零件的幾何複雜性使得僅僅通過目前的超聲波回波檢測技術難以判斷是否完全合格沒問題，而渦流探頭往往不能接觸到零件表面的每一部分。當然，最好的質量控制不是事後檢測，而是過程中控制。根據3D科學谷的市場研究，對於目前的過程中控制來說，主要由幾大派系，照相技術和熱成像技術是目前相對應用最多的技術。

層層控制

硬體與軟體技術的結合

照相技術

這是目前最成熟的過程，並且被金屬列印設備廠商例如EOS的EOSTATE和第三方質量控制服務商Sigma Labs所應用。

就拿Sigma Labs的質量控制過程來說，在構建過程中，產品按照垂直方向從底部到頂部被列印出來（Z方向）。每完成一個列印過程，Sigma Labs的PrintRite3D CONTOUR系統都會拍照。當整個產品被列印完成時，該系統將拍攝與建模過程對應的每一層的數字圖像。通過系統記錄的每一層的圖片，計算機將圖片與設計模型的切片相對比。

另外，Sigma Labs的PrintRite3D INSPECT軟體利用高溫計和光電二極體檢測熔池溫度，記錄了其中三個過程變數：1）金屬粉末融化時溫度的「增加率」；2）熔池停留在最高溫度多「長」時間；3）熔池冷卻的「速率」。通過捕獲這三個變數，該系統產生熔池的「電子簽名數據」，從而在每一層的X,Y,Z三維方向上記錄了零件的微觀結構。

在加工中的質量管理方面，通過PrintRite3D INSPECT 軟體，基於大量的生產大數據所形成的加工參數與產品性能之間的相關性，獲取符合生產要求的零件所對應的加工參數作為「基準數據」。除非與零件的機械和冶金特性數據具有相關性，否則該加工參數的值幾乎沒有任何意義。這意味著首先必須產生大量的測試樣本來生成這個屬性數據，並將屬性數據關聯到加工參數的「電子簽名數據」。從而在新的加工過程中將每一層的「電子簽名數據」與「基準數據」相對比。

在過程質量控制中挑戰的是正確的收集數據的技術和分析能力。相關分析與回歸分析都是研究變數相互關係的分析方法，而相關性分析是指對兩個或多個具備相關性的變數元素進行分析，從而衡量兩個變數因素的相關密切程度。相關性的元素之間需要存在一定的聯繫或者概率才可以進行相關性分析。相關分析是回歸分析的基礎，而回歸分析則是認識變數之間相關程度的具體形式。

PrintRite3D INSPECT 將超出變數回歸範圍的加工定義為可疑的(Suspect),而在回歸範圍內的定義為可接收的(Accept)。為研究粉末床增材製造技術在製造過程中的質量控制和追溯提供了科學的方法。

就在2016年12月，Sigma Labs還與霍尼韋爾新簽40萬美元的合同，旨在加強鋪粉技術的3D列印過程質量控制。

另外，關於機器視覺和數字圖像處理技術，針對這一領域的巨大投資正在使得包括增材製造行業受益，而且免去了專門為此研發的成本。視覺系統的更大的優勢是知道哪些視覺線索，這些複雜的數據，可以被嵌入在增材製造質量控制軟體中。

熱成像技術

在融化過程中，每個激光點創建了一個微型熔池，從粉末融化到冷卻成為固體結構，光斑的大小以及功率帶來的熱量的大小決定了這個微型熔池的大小，從而影響著零件的微晶結構。

為了融化粉末，必須有充足的激光能量被轉移到材料中，以熔化中心區的粉末，從而創建完全緻密的部分，但同時熱量的傳導超出了激光光斑周長，影響到周圍的粉末。當激光後的區域溫度下降，由於熱傳導的作用，微型熔池周圍出現軟化但不液化的粉粒。通過熱成像技術達到過程中質量控制的目的，在這一領域的代表性企業是Stratonics。

為了達到對熔池熱的監測，與通過相機來逐層拍攝的方法不同的是，針對於LENS技術和SLM技術，Stratonics的高解析度熱成像的感應器是基於雙波長的測量感應方法，結果準確，是真實有效的溫度測量技術。從而可以獲得材料加熱熔化過程的溫度變化，以及它如何傳導熱量和如何冷卻的詳細數據。這些數據的呈現方式與加工的幾何形狀是關聯的矩陣式數據，從而操作人員可以精確的推測加工參數是如何影響到成品零件的質量的，包括對激光功率、系統掃描速度、掃描與粉末床的距離、粉末層厚度等等因素的考慮。

當然，也有的3D列印設備廠商通過高溫計來實現對溫度的記錄，然而作為一個波長範圍的結果，單色高溫計可能不準確，高溫計只是給到用戶關於一些大面積的平均溫度，這是溫度的一個指標，但不一定是對絕對溫度的測量。3D科學谷了解到Stratonics的感測器系統可以應用於從不鏽鋼到鈦合金以及其他高溫金屬加工過程中的溫度測量，並不像單色高溫計那樣受到限制。

Stratonics的ThermaViz實時控制軟體通過對感應器所反饋的數據信息實現對加工過程的調整與控制，當軟體發現加工過程的會導致零件報廢或出現質量問題的時候，反饋系統將自動調整加工參數以保證穩定的熱輸出。通過實時熱圖像與標準熱量參數的匹配，實現對加工過程的自動調整，從而生產出更一致的產品，並實現更好的材料結晶結構。

其他過程質量控制手段還包括熔池光譜學和超聲波技術，這些技術處於快速開發階段，3D科學谷將保持密切關注。

超聲過程檢測，圖片來源：TWI

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