深入解释激光增材制造过程监控

有两种类型的基于技术的激光添加剂制造（LAM）设备：粉末床和粉末进料。最近业界更加关注后者，后者主要在本文中讨论。图1显示了通用粉末床系统原理的示意图，其中在系统的整个工作区域中使用刮板以执行调平粉末以在构建平台上建立粉末床的步骤，整个过程能够控制内部环境的形成。在室内保护。激光能量被转移到粉末床的表面，引起粉末的局部熔化和熔化，使得该区域中的金属粉末凝固。通常，每个激光扫描熔化并重新固化几层粉末，通常厚度为20至150μm。在每次激光曝光之后，将额外的粉末从工作区域刮下并重复该过程，直到构造出坚固的三维（3D）部分。每个“构建”过程包含数千个层，因此每次运行可能需要数十到数百小时。每个“构建”可以生成许多相同或不同的部分。由于这些层一个接一个地熔化并且在金属添加剂制造过程中快速固化，所以这些部件经历涉及定向热传递的复杂热演化。主要用于航空航天和医疗/牙科应用的一些合金部件甚至可能经历重复的固相变化。这些因素使得对成品的微观结构特性的分析比使用常规方法制造的更复杂。频繁的定向热提取导致晶粒结构在Z轴方向上是柱状的（垂直于构建平台），并且“在增材制造过程中，微观结构和机械性能通常是各向异性的，并且Z轴方向通常是“激光选择性熔化（SLM）工艺中的典型缺陷包括微观孔隙率和相邻层之间的不良熔合。航空航天应用尤其关注由零件表面附近的空隙引起的疲劳裂纹，并且表面光洁度也会影响疲劳寿命。考虑到上述问题，特别是那些在结构中起关键作用的部件，增材制造技术的广泛应用面临的主要挑战是成品的鉴定以及如何验证其合格性。最近，一些关于增材制造的报告呼吁使用在线闭环过程控制和传感器来确保增材制造的质量，一致性和再现性。总体目标是实现空间分辨率低于1 mm2的稳定分层质量评估，这将消除通常在施工后执行的检测或破坏性测试。领先的航空航天制造商也支持在线监控：GE航空发动机增材制造业务开发总监Greg Morris先生表示：“现在，25％的时间需要将发动机部件添加到后测试过程中。在生产过程中实时进行生产线检查，我们将加快增材制造发动机零件的生产，如LEAP燃油喷嘴。设备和工艺的可变性过程监控的主要问题是增材制造设备或激光器和材料。相互作用的可变性，因为后者将反过来扰乱金属的微观结构或宏观机械性质。环境因素，包括平台和成形室的温度，室的氧浓度，以及惰性气体流过粉末表面的速率，将影响过程转变和缺陷形成。激光功率，焦斑尺寸和z轴方向上的功率密度变化是决定每次激光扫描期间材料热偏压的潜在波动的关键参数。颗粒的粒度分布和形状将影响每层粉末粘合的状态，从而影响激光添加剂制造部件的表面质量和密度。关键操作参数包括扫描速度和扫描间距（x-y），尽管今天的振镜扫描仪在这些方面足够稳定并且可以使用ucible。每个分层构建或“重涂”过程还必须保持层厚度均匀性和每层的可重复性的高度均匀性。最后，零件的几何形状将影响传热过程。材料的悬垂部分和尖角之间的热传递是不同的，引起应力变形和空隙，针孔或微裂纹。 SLMSolutionsNA北美运营副总裁Jim Fendrick指出：“局部热状态决定了整个过程，几何形状也是相关的。”如何确保质量鉴于影响材料累积热暴露的众多参数，增材制造设备实现了实时质量保证（QA）。方法分为三类：◆监测和控制设备状态各个方面的传感器，◆粉末床表面或层厚度的缺陷/不规则评估技术，◆用于激光和材料的小型相互作用区域或“熔池”直接传感。领先的增材制造系统供应商，如SLMSolutions（德国吕贝克），ConceptLaser和EOS（德国Krailling），正在通过模块化硬件和软件应对这些挑战。 EOS将其模块命名为“EOSTATE”，而ConceptLaser将其命名为“QM”（质量管理）模块。 SLMSolutions的最新系统最多可包含六个模块，每个模块以其自身功能命名。感应设备状态这是商业增材制造设备实现“过程监控”的第一个方面。第一步是控制成型保护室内部的状态。监测，管理惰性环境的温度和残余氧含量，构建平台的温度以及系统的气体净化过滤器的压差，并将其输入计算机。 ConceptLaser的QMatmosphere模块调节成型室中的氧气浓度，而EOS的EOSTATEBase模块同时监控多个成型室和其他设备状态。 SLMSolutions的传感器模块监控整个设备的几个位置的温度，过滤器的状态，成形室中的氧气浓度，并每两秒将这些数据记录到计算机。