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金属材料3D打印质量的有力保障措施——过程监控技术
发布时间:2017-05-20 丨 阅读次数:2661

摘要:过程监控技术是当前金属材料3D打印设备发展的一个热点方向,众多3D设备生产商都把过程监测和质量控制的最新技术增加到自己的最新开发设备中,并作为一个重要的技术卖点。过程监控技术到底有什么神奇功能?过程监控技术在金属材料3D应用是一个什么样的状况?带着这些问题,本文为您解密3D打印中的神奇技术——过程监控。

过程监控技术是当前金属材料3D打印设备发展的一个热点方向,众多3D设备生产商都把过程监测和质量控制的最新技术增加到自己的最新开发设备中,并作为一个重要的技术卖点进行大肆宣传。例如,EOS开发的EOSTATE模块,Arcam开发的LayerQam™,Sciaky开发的Sciaky’s IRISS™等,如表1所示。

表1 当前应用质量监控的3D打印设备


为什么争先恐后的把过程监测技术融入到3D打印设备中?

3D打印近年来虽然发展速度很快,但是当前的3D打印技术仍然存在许多的问题,如零件内部存在微小气孔,存在未熔化的金属粉末缺陷,存在力学性能的各向异性(尤其是在Z轴方向与其他方向的差异)。造成这些问题的原因有很多,如3D打印复杂的热过程,金属粉末特性的不均匀,设备状态参数的不稳定(比如激光功率的波动、温度的变化、保护气浓度的变化等),零件形状结构复杂以及工艺设计等等。

这样一个复杂的过程,普通的技术手段很难确保在零件内部不同区域、零件与零件之间以及不同设备生产的零件之间的性能一致性,很难确保工艺的可重复性。工艺可重复性和质量一致性是3D打印技术普及和应用的关键,尤其在航空航天领、医疗领域这尤为重要。借助现代科学技术手段,严密监控过程状态的变化,创建闭环控制系统,实时调节工艺参数是最好的解决办法。

过程监控技术具体能发挥哪些作用?

第一,可以获得更多的过程的信息,用来更好的理解3D打印工艺过程的现象。

第二,可以提升3D打印零件质量,如表面质量、尺寸精度以及材料性能等,同时还有利于减少零件内部缺陷和缩短加工周期降低生产成本。

第三,可以帮助建立3D打印过程的闭环控制,实现3D打印的智能化。

第四,能够帮助实现在线修复每一层的熔化缺陷,制造零缺陷零件。

3D打印过程有哪些参数是需要监测的?

目前3D打印技术种类跟多,总体上可分为两类:粉床熔融技术(Powder Beam Fusion,PBF)和能量直接沉积技术(Directed Energy Deposition,DED)。按热源形式可分为以激光3D打印和电子束3D打印。影响3D打印质量的参数非常多,就激光选区熔化(SLM)工艺过程而言,就有50多个工艺参数输入,每个参数都会影响着最终零件的质量。总体可分为三类:

(1)设备状态和环境状态的监测

对于以激光为热源的3D打印技术来说,首先要监测的设备状态参数是激光功率、设备温度,更复杂杂的监控涉及到监控束斑的位置和聚焦,当偏差超过极限时系统将关闭。另外,激光3D打印设备都采用惰性气体保护来确保金属熔化是不发生氧化,因此需要对惰性气体的纯度进行在线监测,比如O2含量、激光功率。

对于电子束3D打印设备需要监测的设备参数有真空度、电子枪的电压、束流、设备温度等。

(2)粉床的一致性监测

主要是针对粉床3D打印设备,其原理采用CCD摄像机,拍摄每一层铺粉后的粉床的照片,通过对比标准的照片数据。主要检测方向有:粉床的平整度、有无凸起的高点、有无夹杂物等,如果发现问题可以通过一些技术措施纠正修补。

(3)工艺过程监控

工艺过程的的监测是最为复杂的。主要有熔池温度的监测、熔池形状参数的监测、扫描轨迹、粉床温度。对于电子束选区熔化快速成型,监测粉床温度尤为重要,这种工艺要对每一层铺粉金属粉末进行预热,预热的温度是决定成败的关键因素。

当前3D设备中的过程监控措施有哪些?

过程监控技术中是通过各种传感器进行的,常用的传感方法主要包括:声学、电学、光学、热学传感等,多种方法综合的监测方式也经常被采用来提高检测精度。

(1)光学传感器

光学传感技术是在3D打印过程检测中该应用最多的,相对于其他几种传感方式,光学传感具有不与工件接触,不影响成型过程,获取信息量大等优点。而且由它获取的图像经处理后,可以得到焊接过程动态熔池的二维或三维信息。

光学传感器分为被动式传感和主动式传感。主动视觉传感方式是为了减小弧光对传感过程的影响,利用外加光源对熔池进行照射,从而获得清晰的熔池图像方法。被动视觉传感是不加外界辅助光源,利用自身电弧光照明,配合一定的滤光措施,获得清晰的熔池图像的方法。

光学传感技术可用来检测熔池尺寸的变化、熔池温度的变化等,能够直接反应熔化过程金属的动态行为,同时也可以检测成型焊缝的高度和宽度,激光的位置和聚焦性能,粉末床表面的特性等。

常用的光学检测装置有CCD和CMOS摄像、光敏二极管,光谱仪等,CCD 和 CMOS 摄像不适用于中长波的红外射线。红外摄像可分为两种:带冷却和不带冷却的传感器。红外摄像经常被用来检测温度变化,如粉床的温度场、熔池的温度场等。


(2)声学传感器

声学传感器可以用来检测熔化、蒸发、等离子的产生、匙孔的形成,也可用用来检测激光同轴送粉成型工艺的气体压力。修复区域的变化和裂纹的扩展。声学传感器能够将声学型号转化为电信号。

当前金属材料3D打印过程监控系统存在哪些的难点?

(1)对于光学传感器,成型过程的成形过程的气体和粉尘会减弱采集到的光学信号,测量结果的准确性低。

(2)对在真空条件下成型的电子束3D打印,监控过程难度更大,因为电子束能量密度更高,能够瞬间使金属加热到蒸发状态,有金属蒸气从熔池逸出挥发,这些金属蒸气容易使观察仪器窗口上形成一层金属镀膜。影响观测结果。真空条件限制了检测设备在设备内部的使用。由于电子束熔池的高温快速和短暂的特性,高温测量不适用,被放弃。实际上,红外设备被青睐,用来监测电子束粉末成形的过程。

结  语

当前,3D打印设备的监测和控制还处于发展的初期,还有很多长的路要求。未来的3D打印设备必将是能够高效准确的监测工艺过程的各个特征和完全工艺过程的闭环控制的智能3D打印设备, 未来的3D打印将具有完美外观质量和内在质量,彻底改变我们生活!


(本文所涉及的图片和数据均来自于互联网)


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