深度解讀激光增材制造中的過程監(jiān)控

Concept Laser的QMcoating模塊對分層重涂覆過程進(jìn)行了更積極地控制。它可以在粉末鋪放時(shí)監(jiān)測層的表面，對每一層或是整個(gè)構(gòu)建區(qū)域的層厚變化進(jìn)行檢測并補(bǔ)償(圖2)。

監(jiān)控熔池

由于增材制造零件的顯微結(jié)構(gòu)屬性由材料的熱演化過程來決定，因此增材制造過程監(jiān)控的首要目標(biāo)是捕獲零件中所有三維位置的溫度。然而，這種所謂的“熱圖(heat map)”涉及的數(shù)據(jù)量大得驚人。如今，隨著傳感器、信號處理算法以及數(shù)據(jù)存儲方法的不斷進(jìn)步，我們可以著手解決這些挑戰(zhàn)——逐點(diǎn)收集并存檔熱力信息。OEM設(shè)備供應(yīng)商、創(chuàng)新型的小公司以及政府研究機(jī)構(gòu)都有相關(guān)的開發(fā)計(jì)劃。

他們的任務(wù)是收集能直接或間接顯示激光焦點(diǎn)周圍某一小區(qū)域(稱為“熔池”)溫度的信息。理想情況下，可以在約1mm2的單個(gè)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行直接的空間分辨溫度測量。此外，通過借鑒激光焊接技術(shù)，他們也在努力測量熔池的大小和形狀。但是相比激光焊接或送粉式增材制造工藝來說，這里的任務(wù)明顯難度更大;這是因?yàn)?，高的光束掃描速?~1m/s)和所要求的精細(xì)的空間分辨率意味著必須采集和處理高帶寬信號以及存儲海量的數(shù)據(jù)。

目前正在研發(fā)的兩種熔池傳感方法包括：對發(fā)射的光進(jìn)行成像和收集發(fā)射的光。就成像而言，紅外線(IR)和可見光照相機(jī)正在開發(fā)之中，雖然其所需的幀率非常高(每秒數(shù)千幀)，幾乎所有設(shè)備都不能實(shí)現(xiàn)，但是目前最高端的紅外設(shè)備可以達(dá)到該幀率。對光發(fā)射檢測來說，采用的是光學(xué)測溫或光譜的變化。最常見的裝置包括一個(gè)光電二極管(在上游帶有或不帶紅外帶通濾波器)。兩個(gè)這樣的濾波探測器可以用來實(shí)現(xiàn)雙色測溫技術(shù)。

在許多案例中，設(shè)備供應(yīng)商正在開發(fā)結(jié)合了成像和發(fā)射傳感的復(fù)合傳感器。圖3簡要地顯示了Concept Laser公司是如何在其QMmeltpool模塊中實(shí)現(xiàn)該方案的。具有1×1mm2觀測區(qū)(高的空間分辨率)的同軸可見光相機(jī)獲取圖像的幀率高達(dá)每秒4000幀。如果需要的話，光電二極管信號甚至可以提供更高頻率的信息。為了應(yīng)對潮水般涌來的數(shù)據(jù)，每一整個(gè)分層的信息被合并在一起并存儲，而不是存儲每一層內(nèi)所有的單個(gè)點(diǎn)的信息。根據(jù)Bechmann所說，相機(jī)可以拍攝“非常詳細(xì)的圖片”，可以檢測由于透鏡污染或激光器老化所引起的低能量熔池的情況，以及粉末計(jì)量因素的偏差。圖4顯示了降低激光功率對零件造成的差異，包括較小的“窗戶”。

SLM Solutions正在開發(fā)的Melt Pool Control模塊主要是在兩個(gè)波長進(jìn)行快速的單點(diǎn)紅外發(fā)射測量。通過分析將數(shù)據(jù)提取出來形成熱能的二維圖像。數(shù)據(jù)采集和分析是在每個(gè)點(diǎn)(~ 70μs)完成的，有效采樣率較高(~ 14kHz)。更重要的是，該系統(tǒng)很快就能以這種速度動態(tài)地調(diào)整激光輸出功率，根據(jù)熔池信息實(shí)現(xiàn)真正的閉環(huán)功率控制。圖5顯示的微細(xì)柵格試驗(yàn)結(jié)構(gòu)可以明顯看到熔池控制帶來的影響。

EOS公司實(shí)現(xiàn)熔池監(jiān)控的方法有稍許不同。該公司不是通過公司內(nèi)部研發(fā)，而是與plasmo Industrietechnik公司(奧地利維也納)展開了合作，后者的fastprocessobserver系統(tǒng)已經(jīng)在激光焊接領(lǐng)域證明了自己。該系統(tǒng)利用一個(gè)或多個(gè)離軸光電二極管來收集激光誘導(dǎo)等離子體的寬頻帶光發(fā)射。采用大量的專利信號處理算法從時(shí)間和頻率方面對信號進(jìn)行分析，從而檢測出異常情況的發(fā)生。當(dāng)系統(tǒng)參考了已知的會產(chǎn)生缺陷和沒有缺陷的工藝條件后，就可以將檢測到的異常與不同類型的缺陷一一聯(lián)系起來。粉末床增材制造面臨的挑戰(zhàn)在于所需要的采樣和信號處理速度要高得多。截至本文發(fā)表時(shí)，plasmo的監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)與EOS的設(shè)備集成在一起，并且正在被一個(gè)重要的終端用戶評估。

總結(jié)與展望

在2011年年底，GE的增材制造實(shí)驗(yàn)室經(jīng)理Prabhjot Singh觀察到：“增材制造的零件由數(shù)以千計(jì)的分層構(gòu)建而成，每一層的問題都有可能使得整個(gè)零件構(gòu)建失敗。我們?nèi)匀徊幻靼?，為什么不同設(shè)備生成的零件會略有不同，甚至同一臺設(shè)備在不同的一天中生成的零件也會略有不同。”

到了如今，這一評估在很大程度上仍然正確。與此同時(shí)，包括GE航空發(fā)動機(jī)公司在內(nèi)的先驅(qū)者多年來一直研究他們的增材制造設(shè)備的細(xì)微差別，表征工藝窗口和靈敏度，創(chuàng)建工藝數(shù)據(jù)庫和確認(rèn)每臺設(shè)備是否合格。他們將可能在未來12至18個(gè)月內(nèi)開始提速其生產(chǎn)，他們沒有對其生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行過程監(jiān)控或閉環(huán)激光功率控制，而是憑借自己深厚的知識儲備來生產(chǎn)質(zhì)量優(yōu)良的零件。

如今，增材制造過程監(jiān)控所借鑒的傳感技術(shù)大多來自激光焊接等成熟工藝的經(jīng)驗(yàn)。因此，它們有可能不是實(shí)時(shí)檢測增材制造過程中的異常的最佳手段。金屬增材制造仍然處于發(fā)展的早期階段，設(shè)備和粉末材料的相關(guān)技術(shù)在突飛猛進(jìn)。傳感和數(shù)據(jù)分析技術(shù)也是如此。目前正在對激光粉末床的相互作用進(jìn)行物理上的互動模擬，并建立詳細(xì)的數(shù)據(jù)庫，包括材料性能、工藝參數(shù)和粉末特征。未來幾年，這些技術(shù)將可能幫助制造商研發(fā)出最理想的監(jiān)測器和傳感器，逐點(diǎn)監(jiān)測熔池或是接近熔池的點(diǎn)。同時(shí)，快速的創(chuàng)新會繼續(xù)進(jìn)行，盡管真正強(qiáng)有力的過程監(jiān)控與控制可能仍然需要數(shù)年之久才能實(shí)現(xiàn)?？紤]到主要的制造商在計(jì)劃批量生產(chǎn)增材制造的金屬零件，我們期待看到更多的關(guān)注投放到這一領(lǐng)域以及更多積極的研發(fā)行動。和增材制造過程監(jiān)控相關(guān)的各種技術(shù)正在你追我趕，且看誰能勝出。