金屬材料3D打印質量的有力保障措施—過程監控技術

閱讀次數:248     發布時間:2017-05-20

過程監控技術是當前金屬材料3D打印設備發展的一個熱點方向,眾多3D設備生產商都把過程監測和質量控制的最新技術增加到自己的最新開發設備中,并作為一個重要的技術賣點進行大肆宣傳。例如,EOS開發的EOSTATE模塊,Arcam開發的LayerQam?,Sciaky開發的Sciaky’s IRISS?等,如表1所示。

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1 當前應用質量監控的3D打印設備

為什么爭先恐后的把過程監測技術融入到3D打印設備中?

3D打印近年來雖然發展速度很快,但是當前的3D打印技術仍然存在許多的問題,如零件內部存在微小氣孔,存在未熔化的金屬粉末缺陷,存在力學性能的各向異性(尤其是在Z軸方向與其他方向的差異)。造成這些問題的原因有很多,如3D打印復雜的熱過程,金屬粉末特性的不均勻,設備狀態參數的不穩定(比如激光功率的波動、溫度的變化、保護氣濃度的變化等),零件形狀結構復雜以及工藝設計等等。

這樣一個復雜的過程,普通的技術手段很難確保在零件內部不同區域、零件與零件之間以及不同設備生產的零件之間的性能一致性,很難確保工藝的可重復性。工藝可重復性和質量一致性是3D打印技術普及和應用的關鍵,尤其在航空航天領、醫療領域這尤為重要。借助現代科學技術手段,嚴密監控過程狀態的變化,創建閉環控制系統,實時調節工藝參數是最好的解決辦法。

 

過程監控技術具體能發揮哪些作用?

第一,可以獲得更多的過程的信息,用來更好的理解3D打印工藝過程的現象。

第二,可以提升3D打印零件質量,如表面質量、尺寸精度以及材料性能等,同時還有利于減少零件內部缺陷和縮短加工周期降低生產成本。

第三,可以幫助建立3D打印過程的閉環控制,實現3D打印的智能化。

第四,能夠幫助實現在線修復每一層的熔化缺陷,制造零缺陷零件。

 

3D打印過程有哪些參數是需要監測的?

目前3D打印技術種類跟多,總體上可分為兩類:粉床熔融技術(Powder Beam Fusion,PBF)和能量直接沉積技術(Directed Energy Deposition, DED)。按熱源形式可分為以激光3D打印和電子束3D打印。影響3D打印質量的參數非常多,就激光選區熔化(SLM)工藝過程而言,就有50多個工藝參數輸入,每個參數都會影響著最終零件的質量??傮w可分為三類:

 

(1)設備狀態和環境狀態的監測

對于以激光為熱源的3D打印技術來說,首先要監測的設備狀態參數是激光功率、設備溫度,更復雜雜的監控涉及到監控束斑的位置和聚焦,當偏差超過極限時系統將關閉。另外,激光3D打印設備都采用惰性氣體保護來確保金屬熔化是不發生氧化,因此需要對惰性氣體的純度進行在線監測,比如O2含量、激光功率。

對于電子束3D打印設備需要監測的設備參數有真空度、電子槍的電壓、束流、設備溫度等。

 

(2)粉床的一致性監測

主要是針對粉床3D打印設備,其原理采用CCD攝像機,拍攝每一層鋪粉后的粉床的照片,通過對比標準的照片數據。主要檢測方向有:粉床的平整度、有無凸起的高點、有無夾雜物等,如果發現問題可以通過一些技術措施糾正修補。

 

(3)工藝過程監控

工藝過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、粉床溫度。對于電子束選區熔化快速成型,監測粉床溫度尤為重要,這種工藝要對每一層鋪粉金屬粉末進行預熱,預熱的溫度是決定成敗的關鍵因素。

當前3D設備中的過程監控措施有哪些?

過程監控技術中是通過各種傳感器進行的,常用的傳感方法主要包括:聲學、電學、光學、熱學傳感等,多種方法綜合的監測方式也經常被采用來提高檢測精度。

 

(1)光學傳感器

光學傳感技術是在3D打印過程檢測中該應用最多的,相對于其他幾種傳感方式,光學傳感具有不與工件接觸,不影響成型過程,獲取信息量大等優點。而且由它獲取的圖像經處理后,可以得到焊接過程動態熔池的二維或三維信息。

光學傳感器分為被動式傳感和主動式傳感。主動視覺傳感方式是為了減小弧光對傳感過程的影響,利用外加光源對熔池進行照射,從而獲得清晰的熔池圖像方法。被動視覺傳感是不加外界輔助光源,利用自身電弧光照明,配合一定的濾光措施,獲得清晰的熔池圖像的方法。

光學傳感技術可用來檢測熔池尺寸的變化、熔池溫度的變化等,能夠直接反應熔化過程金屬的動態行為,同時也可以檢測成型焊縫的高度和寬度,激光的位置和聚焦性能,粉末床表面的特性等。

常用的光學檢測裝置有CCD和CMOS攝像、光敏二極管,光譜儀等,CCD 和 CMOS 攝像不適用于中長波的紅外射線。紅外攝像可分為兩種:帶冷卻和不帶冷卻的傳感器。紅外攝像經常被用來檢測溫度變化,如粉床的溫度場、熔池的溫度場等。

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(2)聲學傳感器

聲學傳感器可以用來檢測熔化、蒸發、等離子的產生、匙孔的形成,也可用用來檢測激光同軸送粉成型工藝的氣體壓力。修復區域的變化和裂紋的擴展。聲學傳感器能夠將聲學型號轉化為電信號。

當前金屬材料3D打印過程監控系統存在哪些的難點?

 

(1)對于光學傳感器,成型過程的成形過程的氣體和粉塵會減弱采集到的光學信號,測量結果的準確性低。

(2)對在真空條件下成型的電子束3D打印,監控過程難度更大,因為電子束能量密度更高,能夠瞬間使金屬加熱到蒸發狀態,有金屬蒸氣從熔池逸出揮發,這些金屬蒸氣容易使觀察儀器窗口上形成一層金屬鍍膜。影響觀測結果。真空條件限制了檢測設備在設備內部的使用。由于電子束熔池的高溫快速和短暫的特性,高溫測量不適用,被放棄。實際上,紅外設備被青睞,用來監測電子束粉末成形的過程。

 

結語

當前,3D打印設備的監測和控制還處于發展的初期,還有很多長的路要求。未來的3D打印設備必將是能夠高效準確的監測工藝過程的各個特征和完全工藝過程的閉環控制的智能3D打印設備, 未來的3D打印將具有完美外觀質量和內在質量,徹底改變我們生活!

(本文所涉及的圖片和數據均來自于互聯網)


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