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(gè)工作區(qū)中使用刮板來(lái)進(jìn)行平整粉末的步驟， 以在構(gòu)建平臺(tái)上建立粉末床， 整個(gè)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(gè)堅(jiān)固的三維(3D)零件。每一個(gè)“構(gòu)建”過程包含數(shù)以千計(jì)的分層，因此每次運(yùn)行需要花費(fèi)幾十到幾百個(gè)小時(shí)。每一次“構(gòu)建”可以生成數(shù)十個(gè)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(huì)遇到反復(fù)的固態(tài)相變。這些因素使得對(duì)成品顯微結(jié)構(gòu)屬性的分析，相對(duì)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(huì)導(dǎo)致晶粒結(jié)構(gòu)在Z軸方向(垂直于構(gòu)建平臺(tái))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(shí)表面光潔度也會(huì)對(duì)疲勞壽命造成影響。

綜合上述問題一起考慮，特別是那些對(duì)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(bào)道都在呼吁借助在線、閉環(huán)的過程控制和傳感器來(lái)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的分層質(zhì)量評(píng)估，這將免除通常在構(gòu)建后進(jìn)行的檢測(cè)或破壞性測(cè)試。領(lǐng)先的航空航天制造商也非常支持在線監(jiān)測(cè)：GE航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)引擎零件所需要的時(shí)間中有25%是用于后檢測(cè)工序。通過在構(gòu)建過程中實(shí)時(shí)進(jìn)行在線檢測(cè)，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?yàn)楹笳邥?huì)反過來(lái)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(tái)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(huì)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(dòng)的關(guān)鍵參數(shù)。晶粒的粒徑分布和形狀將會(huì)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(yùn)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(gè)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(diǎn)，零件的幾何形狀將會(huì)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(huì)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(yùn)營(yíng)副總裁Jim Fendrick指出：“局部的熱力狀態(tài)決定了整個(gè)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(gè)方面;

◆ 粉末床表面或?qū)雍竦娜毕?不規(guī)則的評(píng)估技術(shù);

◆ 對(duì)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(guó)Lübeck)公司、Concept Laser公司和EOS公司(德國(guó)Krailling)，都在借助模塊化硬件和軟件的方法來(lái)應(yīng)對(duì)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(gè)模塊都是根據(jù)自身的功能來(lái)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(shí)現(xiàn)其“過程監(jiān)控”的第一個(gè)方面。第一步是控制成形保護(hù)室內(nèi)部的狀態(tài)。對(duì)惰性環(huán)境的溫度和殘余氧氣含量、構(gòu)建平臺(tái)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(jì)算機(jī)。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(shí)監(jiān)測(cè)幾個(gè)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(cè)整個(gè)設(shè)備范圍內(nèi)數(shù)個(gè)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(jì)算機(jī)。

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(cè)通常包括簡(jiǎn)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(jì)算機(jī)(EOS的EOSTATE Base)、測(cè)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?yàn)榧す獾墓β拭芏葲Q定著熔池的大小以及激光光束經(jīng)過粉末時(shí)引起的溫度變化，所以對(duì)激光光束的束腰定位或相對(duì)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(shí)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(duì)焦斑大小、焦平面位置和光束能量分布進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)。當(dāng)發(fā)生焦點(diǎn)漂移或者情況發(fā)生變化時(shí)，警報(bào)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(cè)和控制粉末床的均勻性。這通常需要獲取整個(gè)粉末床的可見光圖像，在圖像中，那些非均勻的部分將會(huì)被比對(duì)出來(lái)。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(lái)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(duì)圖像進(jìn)行自動(dòng)分析和異常檢測(cè)，并標(biāo)記出來(lái)。當(dāng)構(gòu)建多個(gè)相同的零件時(shí)，對(duì)圖像子區(qū)域進(jìn)行局部分析，可以顯示出每個(gè)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(shí)繼續(xù)構(gòu)建其他沒有缺陷的零件，從而節(jié)省時(shí)間和材料。[!--empirenews.page--]

Concept Laser的QMcoating模塊對(duì)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(cè)層的表面，對(duì)每一層或是整個(gè)構(gòu)建區(qū)域的層厚變化進(jìn)行檢測(cè)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(lái)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(hào)處理算法以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(cè)量。此外，通過借鑒激光焊接技術(shù)，他們也在努力測(cè)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(lái)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(hào)以及存儲(chǔ)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(duì)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(duì)光發(fā)射檢測(cè)來(lái)說，采用的是光學(xué)測(cè)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(cè)器可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)雙色測(cè)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(jiǎn)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(cè)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(hào)甚至可以提供更高頻率的信息。為了應(yīng)對(duì)潮水般涌來(lái)的數(shù)據(jù)，每一整個(gè)分層的信息被合并在一起并存儲(chǔ)，而不是存儲(chǔ)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(cè)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(duì)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(zhǎng)進(jìn)行快速的單點(diǎn)紅外發(fā)射測(cè)量。通過分析將數(shù)據(jù)提取出來(lái)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(dòng)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(lái)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(lái)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(hào)處理算法從時(shí)間和頻率方面對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，從而檢測(cè)出異常情況的發(fā)生。當(dāng)系統(tǒng)參考了已知的會(huì)產(chǎn)生缺陷和沒有缺陷的工藝條件后，就可以將檢測(cè)到的異常與不同類型的缺陷一一聯(lián)系起來(lái)。粉末床增材制造面臨的挑戰(zhàn)在于所需要的采樣和信號(hào)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(píng)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(huì)略有不同，甚至同一臺(tái)設(shè)備在不同的一天中生成的零件也會(huì)略有不同。”

到了如今，這一評(píng)估在很大程度上仍然正確。與此同時(shí)，包括GE航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司在內(nèi)的先驅(qū)者多年來(lái)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(kù)和確認(rèn)每臺(tái)設(shè)備是否合格。他們將可能在未來(lái)12至18個(gè)月內(nèi)開始提速其生產(chǎn)，他們沒有對(duì)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(shí)儲(chǔ)備來(lái)生產(chǎn)質(zhì)量?jī)?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(lái)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(cè)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(duì)激光粉末床的相互作用進(jìn)行物理上的互動(dòng)模擬，并建立詳細(xì)的數(shù)據(jù)庫(kù)，包括材料性能、工藝參數(shù)和粉末特征。未來(lái)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(cè)器和傳感器，逐點(diǎn)監(jiān)測(cè)熔池或是接近熔池的點(diǎn)。同時(shí)，快速的創(chuàng)新會(huì)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(dòng)。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(shuí)能勝出。