深度解讀激光增材制造中的過程監(jiān)控

技術(shù)基礎(chǔ)

激光增材制造(LAM)設(shè)備有兩種類型：粉末床和送粉式。近期業(yè)內(nèi)較多的關(guān)注集中在后者身上， 本文討論的也主要是后者。

圖1顯示了通用的粉末床系統(tǒng)的原理示意圖， 在該系統(tǒng)的整個工作區(qū)中使用刮板來進(jìn)行平整粉末的步驟， 以在構(gòu)建平臺上建立粉末床， 整個過程是在可以控制內(nèi)部環(huán)境的成形保護(hù)室內(nèi)進(jìn)行。激光能量傳遞到粉末床的表面，引起粉末的局部熔化和融合，使得該區(qū)域的金屬粉末固化。

通常情況下，每一道激光掃描能熔化并重新凝固數(shù)層粉末，粉末層的厚度通常為20至150μm。在每一次激光照射后將額外的粉末從工作區(qū)刮掉，然后重復(fù)上述過程，直到構(gòu)建出一個堅固的三維(3D)零件。每一個“構(gòu)建”過程包含數(shù)以千計的分層，因此每次運行需要花費幾十到幾百個小時。每一次“構(gòu)建”可以生成數(shù)十個相同或不同的零件。

由于在金屬增材制造過程中是一層接著一層熔化并且快速凝固，所以零件經(jīng)歷了涉及定向熱傳遞的復(fù)雜的熱演化歷程。一些主要用于航空航天和醫(yī)療/牙科應(yīng)用的合金零件甚至可能會遇到反復(fù)的固態(tài)相變。這些因素使得對成品顯微結(jié)構(gòu)屬性的分析，相對那些使用傳統(tǒng)方式制造的零件而言，變得更為復(fù)雜。頻繁的定向熱量提取會導(dǎo)致晶粒結(jié)構(gòu)在Z軸方向(垂直于構(gòu)建平臺)呈柱狀，并且“在增材制造中，各處的顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能通常呈各向異性，而Z軸方向一般是最弱的”。激光選區(qū)熔化(SLM)工藝的典型缺陷包括顯微疏松以及相鄰層之間融合不好。航天應(yīng)用特別關(guān)注的是靠近零件表面的孔隙引發(fā)的疲勞裂紋，同時表面光潔度也會對疲勞壽命造成影響。

綜合上述問題一起考慮，特別是那些對結(jié)構(gòu)起到關(guān)鍵作用的零件，廣泛應(yīng)用增材制造技術(shù)所要面臨的重大挑戰(zhàn)是成品的合格性以及如何檢定其合格性。最近，關(guān)于增材制造的一些報道都在呼吁借助在線、閉環(huán)的過程控制和傳感器來確保增材制造的質(zhì)量、一致性和再現(xiàn)性?？傮w的目標(biāo)是在空間分辨率低于1mm2的情況下實現(xiàn)穩(wěn)定的分層質(zhì)量評估，這將免除通常在構(gòu)建后進(jìn)行的檢測或破壞性測試。領(lǐng)先的航空航天制造商也非常支持在線監(jiān)測：GE航空發(fā)動機公司的增材制造業(yè)務(wù)拓展總監(jiān)Greg Morris先生說：“如今，增材制造一個引擎零件所需要的時間中有25%是用于后檢測工序。通過在構(gòu)建過程中實時進(jìn)行在線檢測，我們將加快增材制造引擎零件的生產(chǎn)速度，例如LEAP燃油噴嘴。”

設(shè)備和工藝的多變性

過程監(jiān)控解決的主要問題是增材制造設(shè)備或激光與材料的相互作用所具有的多變性，因為后者會反過來擾亂金屬的微觀結(jié)構(gòu)或宏觀力學(xué)性能。包括構(gòu)建平臺和成形保護(hù)室的溫度、保護(hù)室的氧氣濃度、惰性氣體流經(jīng)粉末表面的速度在內(nèi)的環(huán)境因素將會影響工藝轉(zhuǎn)換和缺陷的形成。在每一次激光掃描過程中，激光功率、焦斑大小和z軸方向的功率密度變化是決定材料熱偏差的潛在波動的關(guān)鍵參數(shù)。晶粒的粒徑分布和形狀將會影響每一層粉末結(jié)合的狀態(tài)，從而影響激光增材制造零件的表面質(zhì)量和密度。關(guān)鍵的運行參數(shù)包括掃描速度和掃描間距(x-y)，盡管如今的振鏡掃描器在這些方面表現(xiàn)得足夠穩(wěn)定，并且再現(xiàn)性很好。每一個分層的構(gòu)建或者說“重涂覆”過程也必須在層厚的均勻性以及每層的可重復(fù)性方面保持高度一致。最后一點，零件的幾何形狀將會影響熱傳遞過程。材料的懸垂部分和尖銳棱角部位的熱傳遞有所不同，會引起應(yīng)力變形以及孔隙、針孔或顯微裂紋。SLM Solutions NA公司北美地區(qū)運營副總裁Jim Fendrick指出：“局部的熱力狀態(tài)決定了整個過程，幾何形狀也有關(guān)系。”

如何保證質(zhì)量

鑒于影響材料累積熱暴露的參數(shù)非常多，增材制造設(shè)備實現(xiàn)實時質(zhì)量保證(QA)的方法分成三類：

◆ 傳感器監(jiān)控和控制設(shè)備狀態(tài)的各個方面;

◆ 粉末床表面或?qū)雍竦娜毕?不規(guī)則的評估技術(shù);

◆ 對激光與材料的小的相互作用區(qū)或者說“熔池”的直接傳感。

領(lǐng)先的增材制造系統(tǒng)供應(yīng)商，例如SLM Solutions(德國Lübeck)公司、Concept Laser公司和EOS公司(德國Krailling)，都在借助模塊化硬件和軟件的方法來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。EOS為其模塊命名為“EOSTATE”，而Concept Laser則將其命名為“QM”(質(zhì)量管理)模塊。SLM Solutions公司的最新系統(tǒng)最多能包含六大模塊，每一個模塊都是根據(jù)自身的功能來命名。

設(shè)備狀態(tài)的傳感

這是商業(yè)化增材制造設(shè)備實現(xiàn)其“過程監(jiān)控”的第一個方面。第一步是控制成形保護(hù)室內(nèi)部的狀態(tài)。對惰性環(huán)境的溫度和殘余氧氣含量、構(gòu)建平臺的溫度和系統(tǒng)的氣體凈化過濾器的壓差進(jìn)行監(jiān)控、管理并錄入計算機。Concept Laser的QMatmosphere模塊能調(diào)節(jié)成形保護(hù)室的氧氣濃度，而EOS的EOSTATEBase模塊能同時監(jiān)測幾個成形保護(hù)室和其他的設(shè)備狀態(tài)。SLM Solutions的Sensors模塊能監(jiān)測整個設(shè)備范圍內(nèi)數(shù)個位置的溫度、過濾器的狀態(tài)、成形保護(hù)室內(nèi)的氧氣濃度，并且每隔兩秒就將這些數(shù)據(jù)錄入到計算機。

設(shè)備狀態(tài)傳感的下一步涉及到激光器和光學(xué)元件。截至撰寫本文為止，激光器/ 光學(xué)元件的監(jiān)測通常包括簡單地將激光子系統(tǒng)和掃描器自校準(zhǔn)的額定狀態(tài)的數(shù)據(jù)錄入計算機(EOS的EOSTATE Base)、測量和控制激光功率(EOS的EOSTATE LaserMeasurement模塊、Concept Laser的QMlaser模塊和SLMSolutions的Laser Power模塊)。

因為激光的功率密度決定著熔池的大小以及激光光束經(jīng)過粉末時引起的溫度變化，所以對激光光束的束腰定位或相對于粉末表面的焦散面進(jìn)行控制也是非常重要的。SLM Solutions公司的Caustic Control模塊可以實現(xiàn)上述功能。

收集軸上光發(fā)射并分離到傳感器中，從而對焦斑大小、焦平面位置和光束能量分布進(jìn)行連續(xù)檢測。當(dāng)發(fā)生焦點漂移或者情況發(fā)生變化時，警報將被觸發(fā)，或者構(gòu)建過程將被終止。

增材制造設(shè)備供應(yīng)商也已經(jīng)開始監(jiān)測和控制粉末床的均勻性。這通常需要獲取整個粉末床的可見光圖像，在圖像中，那些非均勻的部分將會被比對出來。EOS最新設(shè)備的EOSTATE PowderBed模塊包含這一功能，可以把每一層的兩幅圖像記錄下來以備線下檢查。同樣，SLM Solutions公司的Layer Control System模塊能在每一次粉末重涂覆和每一次激光照射后抓取分層表面的圖像。在構(gòu)建過程中對圖像進(jìn)行自動分析和異常檢測，并標(biāo)記出來。當(dāng)構(gòu)建多個相同的零件時，對圖像子區(qū)域進(jìn)行局部分析，可以顯示出每個零件在構(gòu)建過程中的誤差。這樣就可以停止構(gòu)建有缺陷的零件，同時繼續(xù)構(gòu)建其他沒有缺陷的零件，從而節(jié)省時間和材料。