金属3D打印过程中质量控制面面观

       提到3D打印，我们很容易兴奋的一点就是定制化，但大多数时候，定制化并不是3D打印最吸引人的地方，反而是3D打印制造复杂产品的能力。在航空航天行业，对于复杂产品的需求通常来源于轻量化的要求，而在生命科学领域，复杂的表面也促使植入物与人体活性细胞之间更好的相容性。

然而，复杂产品也带来了新的问题：质量控制与检测。很多情况下，除非通过高度可靠的无损探伤检测技术，否则这些3D打印出来的零件是禁止进入到应用领域的。

图片来源：3TRPD

     零件的几何复杂性使得仅仅通过目前的超声波回波检测技术难以判断是否完全合格没问题，而涡流探头往往不能接触到零件表面的每一部分。当然，最好的质量控制不是事后检测，而是过程中控制。根据3D科学谷的市场研究，对于目前的过程中控制来说，主要由几大派系，照相技术和热成像技术是目前相对应用最多的技术。

照相技术

     这是目前最成熟的过程，并且被金属打印设备厂商例如EOS的EOSTATE和第三方质量控制服务商Sigma Labs所应用。就拿Sigma Labs的质量控制过程来说，在构建过程中，产品按照垂直方向从底部到顶部被打印出来（Z方向）。每完成一个打印过程，Sigma Labs的PrintRite3D® CONTOUR™系统都会拍照。当整个产品被打印完成时，该系统将拍摄与建模过程对应的每一层的数字图像。通过系统记录的每一层的图片，计算机将图片与设计模型的切片相对比。

     另外，Sigma Labs的PrintRite3D ® INSPECT™软件利用高温计和光电二极管检测熔池温度，记录了其中三个过程变量：1）金属粉末融化时温度的“增加率”；2）熔池停留在最高温度多“长”时间；3）熔池冷却的“速率”。通过捕获这三个变量，该系统产生熔池的“电子签名数据”，从而在每一层的X,Y,Z三维方向上记录了零件的微观结构。

     在加工中的质量管理方面，通过PrintRite3D ® INSPECT ™软件，基于大量的生产大数据所形成的加工参数与产品性能之间的相关性，获取符合生产要求的零件所对应的加工参数作为“基准数据”。除非与零件的机械和冶金特性数据具有相关性，否则该加工参数的值几乎没有任何意义。这意味着首先必须产生大量的测试样本来生成这个属性数据，并将属性数据关联到加工参数的“电子签名数据”。从而在新的加工过程中将每一层的“电子签名数据”与“基准数据”相对比。

      在过程质量控制中挑战的是正确的收集数据的技术和分析能力。相关分析与回归分析都是研究变量相互关系的分析方法，而相关性分析是指对两个或多个具备相关性的变量元素进行分析，从而衡量两个变量因素的相关密切程度。相关性的元素之间需要存在一定的联系或者概率才可以进行相关性分析。相关分析是回归分析的基础，而回归分析则是认识变量之间相关程度的具体形式。

    PrintRite3D ® INSPECT ™将超出变量回归范围的加工定义为可疑的(Suspect),而在回归范围内的定义为可接收的(Accept)。为研究粉末床增材制造技术在制造过程中的质量控制和追溯提供了科学的方法。

     就在2016年12月，Sigma Labs还与霍尼韦尔新签40万美元的合同，旨在加强铺粉技术的3D打印过程质量控制。另外，关于机器视觉和数字图像处理技术，针对这一领域的巨大投资正在使得包括增材制造行业受益，而且免去了专门为此研发的成本。视觉系统的更大的优势是知道哪些视觉线索，这些复杂的数据，可以被嵌入在增材制造质量控制软件中。

热成像技术

    在融化过程中，每个激光点创建了一个微型熔池，从粉末融化到冷却成为固体结构，光斑的大小以及功率带来的热量的大小决定了这个微型熔池的大小，从而影响着零件的微晶结构。

    为了融化粉末，必须有充足的激光能量被转移到材料中，以熔化中心区的粉末，从而创建完全致密的部分，但同时热量的传导超出了激光光斑周长，影响到周围的粉末。当激光后的区域温度下降，由于热传导的作用，微型熔池周围出现软化但不液化的粉粒。通过热成像技术达到过程中质量控制的目的，在这一领域的代表性企业是Stratonics。

      为了达到对熔池热的监测，与通过相机来逐层拍摄的方法不同的是，针对于LENS技术和SLM技术，Stratonics的高分辨率热成像的感应器是基于双波长的测量感应方法，结果准确，是真实有效的温度测量技术。从而可以获得材料加热熔化过程的温度变化，以及它如何传导热量和如何冷却的详细数据。这些数据的呈现方式与加工的几何形状是关联的矩阵式数据，从而操作人员可以精确的推测加工参数是如何影响到成品零件的质量的，包括对激光功率、系统扫描速度、扫描与粉末床的距离、粉末层厚度等等因素的考虑。

    当然，也有的3D打印设备厂商通过高温计来实现对温度的记录，然而作为一个波长范围的结果，单色高温计可能不准确，高温计只是给到用户关于一些大面积的平均温度，这是温度的一个指标，但不一定是对绝对温度的测量。3D科学谷了解到Stratonics的传感器系统可以应用于从不锈钢到钛合金以及其他高温金属加工过程中的温度测量，并不像单色高温计那样受到限制。

     Stratonics的ThermaViz实时控制软件通过对感应器所反馈的数据信息实现对加工过程的调整与控制，当软件发现加工过程的会导致零件报废或出现质量问题的时候，反馈系统将自动调整加工参数以保证稳定的热输出。通过实时热图像与标准热量参数的匹配，实现对加工过程的自动调整，从而生产出更一致的产品，并实现更好的材料结晶结构。其他过程质量控制手段还包括熔池光谱学和超声波技术，这些技术处于快速开发阶段，中国3D打印网将保持密切关注。

超声过程检测，图片来源：TWI