激光增材制造过程监控的深入诠释

基于技术的激光增材制造（LAM）设备有两种类型：粉床和送粉。业界最近将更多的注意力集中在后者上，本文主要讨论后者。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吸水扒，以执行调平粉末的步骤以在构建平台上建立粉末床，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融合，导致该区域中的金属粉末凝固。通常，每次激光扫描都会熔化并固化几层粉末，通常厚度为20至150μm。每次激光曝光后，将多余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）零件为止。每个“构建”过程都包含数千个层，因此每次运行可能要花费数十到数百小时。每个“构建”都可以生成许多相同或不同的部分。由于层在金属增材制造过程中一层又一层融化并迅速固化，因此零件会经历复杂的热演化过程，包括定向传热。一些主要用于航空航天和医疗/牙科应用的合金零件甚至可能会经历反复的固相变化。这些因素使得对成品微观结构特性的分析比使用常规方法进行的分析更为复杂。频繁的定向热提取导致晶粒结构在Z轴方向（垂直于构建平台）呈柱状，并且“在增材制造过程中，组织和力学性能通常是各向异性的，而Z轴方向通常是各向异性的。激光选择性熔化（SLM）工艺的典型缺陷包括微观孔隙和相邻层之间的熔合不良。航空航天应用特别关注由零件表面附近的空隙引起的疲劳裂纹，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零件，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，有关增材制造的一些报道呼吁使用在线，闭环过程控制和传感器来确保增材制造的质量，一致性和可重复性。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，从而消除通常在施工后进行的检测或破坏性测试。领先的航空航天制造商还支持在线监控：GE航空发动机公司增材制造业务开发总监Greg Morris先生说：“现在，将发动机零件添加到后测试流程中需要25％的时间，在制造过程中实时进行在线检查，我们将加快增材制造发动机零件（例如LEAP燃油喷嘴）的生产。设备和过程的可变过程监视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，因为后者反过来会干扰金属的微观结构或宏观机械性能。环境因素，包括平台和成形腔的构造温度，腔中的氧气浓度以及惰性气体流经粉末表面的速率，都会影响工艺过渡和缺陷形成。激光功率，焦点尺寸和z轴方向上的功率密度变化是关键参数，这些参数确定了每次激光扫描过程中材料热偏置的潜在波动。晶粒的粒度分布和形状将影响粉末粘结各层的状态，从而影响激光增材制造零件的表面质量和密度。关键的操作参数包括扫描速度和扫描间距（x-y），尽管当今的振镜扫描仪在这些方面都足够稳定，并且性能突出。可行的。每个分层的构建或“重涂”过程还必须在每个层的层厚度均匀性和可重复性上保持高度的均匀性。最后，零件的几何形状将影响传热过程。材料的外伸部分与尖角之间的热传递不同，从而导致应力变形以及空隙，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，并且几何形状也相关。”考虑到许多影响材料累积热暴露的参数，如何确保质量，增材制造设备可实现实时质量保证（QA）。方法分为三类：◆用于监视和控制设备状态各个方面的传感器；◆粉末床表面或层厚的缺陷/不规则评估技术；◆激光和材料或“熔池”的小相互作用区域直接感应。增材制造系统的领先供应商，例如SLMSolutions（德国吕贝克），ConceptLaser和EOS（德国Krailling），正在通过模块化硬件和软件来应对这些挑战。 EOS将其模块命名为“ EOSTATE”，而ConceptLaser将其命名为“ QM”（质量管理）模块。 SLMSolutions的系统最多可以包含六个模块，每个模块都以其自己的功能命名。设备状态感测这是实现“过程监控”的商业增材制造设备的一个方面。步骤是控制成形保护室内的状态。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得到监控，管理，并输入计算机。 ConceptLaser的QMatmosphere模块可调节成型腔室中的氧气浓度，而EOS的EOSTATEBase模块可同时监视多个成型腔室和其他设备状态。 SLMSolutions的“传感器”模块监视整个设备中多个位置的温度，过滤器的状态，成型室中的氧气浓度，并每两秒钟将此数据记录到计算机中一次。