電子束粉末床增材制造成形過程的實時可視監(jiān)控方法

1、電子束粉末床增材制造成形過程的實時可視監(jiān)控方法綜述1 .增材制造（AM簡介增材制造是材料成形沉積工藝， 其逐步地將材料添加到基質上。 進料的材料可以是固體、 液體或兩者的混合物， 當進料到達基底后與基底熔合在一起。 激光增材制造是一種自由形式的制造技術， 其將粉末式的材料沉積到由激光源產生的熔池中。 盡管在制造方面提供了很大的靈活性， 但由增材制造加工出的樣品的機械性能比鍛造樣品的要低。這種性能上的差異歸因于缺陷和其分級的微結構成形，因此消除缺陷是很重要的。這些缺陷中的大多數(shù)是層間缺乏熔合和工藝導致的孔隙， 這兩個缺陷都與熔池和軌道幾何形狀密切相關。 因此， 能將軌道幾何形狀寫成工藝參數(shù)的函數(shù)

2、進而對其進行預測是很重要的。 熔池和軌道幾何形狀與粉末流動特性密切相關，因為其決定了加工的效率。2 . 激光增材制造的粉末輸送方式用于激光增材制造的粉末輸送可以通過使用同軸噴嘴（MD用勺DM3D-POM器）或離軸工藝（例如LENSC藝中存在的工藝）來實現(xiàn)。離軸系統(tǒng)的主要優(yōu)點是它可以減少粉末熔化和對噴嘴的粘附，但卻有 “山上覆層”現(xiàn)象發(fā)生。這種沉積技術，當從基板移動的一側施加粉末時，粉末從側面（即，軸外）沉積，導致“抗山狀況”包覆。與激光束同軸地傳送粉末可以解決這個問題，因為在垂直于激光束的平面中的基底運動的所有方向都是等效的。在該方法中使用但未被覆蓋在噴嘴裝置中的其它處理氣體是覆蓋氣體， 其用

3、于將粉末從料斗推入遞送系統(tǒng)。 在粉末顆粒離開噴嘴之后， 它們通過重力的作用和用于推動粉末的氣體的動量被吸引到熔池中。 因此， 已經報道了工藝氣體在粉末錐體的形狀和粉末速度中起主要作用并不奇怪。 最廣泛研究的工藝氣體是載氣和成形氣體。據(jù)研究，較高的載氣速度會增加粉末的運動速度并產生更平滑的構造。然而， 粉末流中的變化對構建質量的影響尚未很好地被理解。 粉末流的形狀（由工藝氣體流速和速度控制） 和熔池的尺寸 （由能量密度控制） 是確定效率和沉積質量的兩個重要參數(shù)。 因此， 旨在理解過程性質的任何研究都需要考慮上述所有工藝參數(shù)的綜合作用并且作為工藝參數(shù)的函數(shù)系統(tǒng)地評價沉積物的質量。 據(jù) 報道，在與基

4、底碰撞的點處粉末流的直徑越小，粉末收集效率越大。3 . AM缺陷的來源如前所述，在所有AMFB件中發(fā)生的主要缺陷是孔隙和熔合不充分，缺乏熔合主要是因為之前的一層沒有熔化。這種不完全熔化是激光功率不足所導致的，而孔隙的形成關系著零件表面的粗糙度。 在相鄰軌道彼此沒有相互潤濕的情況下，構件的表面粗糙度會增加， 在隨后的沉積階段， 液態(tài)金屬不能填充滿所形成的空腔中， 從而形成殘留孔隙。 其余的空隙可能是由氣體被困入金屬造成的。 而人們關心的金屬增材制造過程中的大多數(shù)缺陷的尺寸范圍在10-100仙m4 . AM技術的發(fā)展瓶頸（急需解決的問題）用增材制造（AM加工的零件缺乏質量保證是阻止制造商使用AM技

5、術的關鍵技術障礙，特別是在那些不允許部件出現(xiàn)故障的高價值應用中。由于AM工藝 和材料的發(fā)展，以及對底層設計理念的深入理解，增材制造（ AM技術近年來迅 速成熟。這些發(fā)展的結果就是，在許多制造部門的工業(yè)家已經開始進行 AM的商 業(yè)開發(fā)。雖然現(xiàn)在的AM機床同早期的版本相比已有了很大的提升，但研究者發(fā)現(xiàn)的 一些問題（孔隙率，開裂，熱管理問題，材料供應問題）仍然存在。這主要歸因 于缺乏用于管理機器操作的過程監(jiān)控和閉環(huán)控制算法。大型制造商使用故障模式和效應分析 （FMEA工具來確保制造空間內的各個 方面都受到控制。為了更好的對過程進行了解，必須要進過程數(shù)據(jù)的捕捉和分析。 傳統(tǒng)機床的加工過程和狀況檢測取決

6、于力、 位移和聲學感測。在這里收集的數(shù)據(jù) 通常被實時處理成影響加工策略中的“即時”響應。為了在AM系統(tǒng)中實現(xiàn)相同的功能，需要新的傳感器系列（或重新利用現(xiàn)有的傳感器技術） 和將這些傳感器 集成在一個附加工具上的手段。一些研究人員已經認識到AMM造增加的設計復雜性需要對零件內部幾何形 狀進行無損探傷，在層與層間邊界會普遍存在由于缺乏融合而生成的孔隙。為了實現(xiàn)閉環(huán)控制和材料不連續(xù)性的檢測，原位數(shù)據(jù)采集被認為是實施的主要障礙。 表2所示為目前從AM機器制造商處獲得的現(xiàn)場監(jiān)測和閉環(huán)反饋模塊的總覽。5 .粉末床熔合（PBFF1 .激光粉末床熔合（PBF粉末床火S合（PBFF包括利用激光或電子束能量源熔合兩

7、種工藝。這兩種技 術在操作上本質是相似的，重復的在搭建的平臺上撒下一層粉末然后用熔融并于 前一層熔合,在平臺下降之前一直重復這個過程。 不同的能量源需要不同的氣體 環(huán)境。對于激光系統(tǒng)，需要惰性氣體，通常是氮氣或氮氣。在惰性氣體環(huán)境內根 據(jù)CAD真型用激光束選擇性的燒結從而加工出零件。隨后，基材板會降低一層的厚度，在上面再堆積金屬粉末，然后這一層的粉末又被選擇性的燒結然后與之前 的一層融合在一起。每一層的掃描方向都交替進行，以便于防止某一層的缺陷擴 大在選擇性激光燒結加工過程中，會產生各種各樣的缺陷，比如粉末供應不充分， 像不完全熔化、空洞等內部缺陷，甚至發(fā)生局部變形。為防止這些缺陷發(fā)生而建 立

8、的閉環(huán)工藝控制模型要做的第一步就是開發(fā)一個工藝檢測系統(tǒng)。這個系統(tǒng)要能夠觀察熔池并分辨出時間和空間的動態(tài)變化， 從而在缺陷發(fā)生時就可以檢測出來2 .電子束能量源熔合由于電子的平均自由程非常短，電子束工藝需要接近真空的環(huán)境；它另外的 好處是沒有氧氣引起氧化。在熔化期間，引入約10X10 -2毫巴的氮氣分壓，并引導到構造區(qū)域，以便增強熱傳遞和冷卻部件。而過度熔化會導致熔池內的湍流 增加和過度蒸發(fā)，導致在塊狀材料內形成氣孔。Tammas-Williams et al.通過電子束-PBF和使用的X射線計算斷層圖像技術（XCT建立了 TI6A14V結構，以顯 示空隙的形成，并使其和使用的處理參數(shù)直接對應。

9、類似地，Antonysamy等人 研 究了用電子束-PBF產生的Ti6A14V部件的晶粒結構和織構形成，并且得出結論， 與材料相比，表面掃描（作為掃描策略的一部分）產生明顯不同的晶粒結構，這 也會導致上述類型材料的不連續(xù)的形成。表3所示為上面討論的材料不連續(xù)性的 總結就目前技術而言，一般采用攝像機或光電晶體管在線檢測熔池的形貌。但是, 使用這些設備的難點問題是激光熔覆過程中熔池圖像容易受到粉末流、 等離子體 等的污染。6 .粉末床熔合的無損傷原位監(jiān)測方法1 .使用IR(紅外)相機的非接觸式熱測量方法已經探索了許多用于激光PBF和電子束PBF的無損傷原位監(jiān)測方法，常見的 是熱成像和視覺監(jiān)測方法，

10、但一些更新的測試技術也在研究中。使用紅外(IR)相機提供了替代的非接觸式熱測量， 具有更大的捕獲速率和 更高的精度。Krauss等人已經使用IR相機探討在激光PBF處理過程中由于散熱 不足引起的孔隙和其他不規(guī)則性的檢測。這些通過觀察EOSINTM270粉末床的溫 度分布來進行，使用IR照相機在長波紅外(LWIR波長帶和50Hz采樣頻率來處 理Inconel 718 。將未冷卻的微測輻射熱計檢測器 Infratec Variocam hr 頭安 裝在與構建平臺成45°角的位置，放在機器窗口的錯屏蔽玻璃之外,如圖4(a) 所示。這種布置允許視場范圍為160m/120mm大約占整個搭建平臺

11、的30%由 于可達性限制，檢查設備不能設置在建造室內。一該研究旨在確定在構建過程中由 工藝參數(shù)變化或隨機過程誤差引起的偏差，以及零件內部空腔和人為瑕疵的檢測。結論是，只要在大于20ms的時間尺度處發(fā)生偏差，就可以通過將不同的測量值 與預定的參考值進行比較來檢測它們， 可以檢測到低至100乩m(xù)的材料不連續(xù)性。 具有人工缺陷的樣品中的熱影響區(qū)的示例熱分析圖如圖4 (b)所示。這種外部安裝的固定攝像機方法雖然不需要對構建區(qū)域進行額外的照明但卻不允許在整 個構建區(qū)域上進行檢查。安裝屏蔽玻璃以保護照相機在激光加工期間免受光學損 傷，并且設備從外部安裝，消除了對光學器件清潔的顧慮。值得注意的是，如果 在A

12、M機器中集成IR系統(tǒng)，就需要保護相機免受產生的大量灰塵或煙霧，這些會污染IR設備并使其不精確。2 .高速攝像機監(jiān)測高速攝像機已經用于熔池監(jiān)測，但是它們也可以用于檢測粉末床水平上的誤 差和材料的不連續(xù)性。可以監(jiān)測粉末床上由于零件件的卷曲而造成的不平，因為材料凸起的區(qū)域會損壞或磨損涂覆刀片，從而中斷粉末層的隨后分布。如圖5(a) 所示，相機與粉末床偏轉一個角度安裝，并使用簡單的校準算法消除透視失真。 需要多個光源來提供平行于重涂器并垂直于構建平臺的照明。在加工之前可以檢測功率分布的不足，從而在任何材料產生不連續(xù)之前校正粉末供應。圖 5 (b) 示出了由損壞的修復刀片在粉末床中引起的缺陷的示例圖像3

13、 . CCD&相機系統(tǒng)如圖6所示，SVCam-hr29050 SVS-VISTEKI色CCD&相機系統(tǒng)通過觀察窗 聚焦，并運行Hartblei Macro 4/120 TS超級旋轉器以減少構建平面的透視失真。 獲得130mme 114mm勺視野,覆蓋用于本研究的小構造平臺，增加視場以監(jiān)視整 個250mrK 250mm勾建平臺會導致空間分辨率的降低。在500mmt獲得在白色背景上相隔40卜m的兩條40卜m黑色線的分辨率。使 用在機器背面上的啞光反射器和涂覆器葉片的漫射照明來避免相機CCD 專感器的飽和。對于每一層，獲取兩個圖像：一個在粉末沉積之后，另一個在熔融之后。 在圖像中可以

14、觀察到粉末床中的空隙，粉末降解(通過比較)以及發(fā)生無支撐結構卷曲的區(qū)域；這些升高的區(qū)域可以被識別出來，如圖 7 (a),詳細圖像如圖7 (b)o隨后，開發(fā)了處理軟件以識別粉末床的凸出區(qū)域。為了加快識別過程和減少計算負荷，輸入CAD真型來創(chuàng)建用于分析零件周圍的區(qū)域。4 . SLM選擇性激光燒結)缺陷監(jiān)測系統(tǒng)使用的檢測器可以分為兩種：空間積分（如光電二極管）、空間分辨（CCD 相機和CMOS!機）。但是這些方法提供的關于材料表面的結構信息非常有限。 因 此要求圖像傳感器與相互作用區(qū)域與其鄰近區(qū)域的照明結合起來， 從而來捕獲表 面結構和熔池的形狀。激光材料加工的同軸控制系統(tǒng)的例子有：激光釬焊、復合激

15、光電弧焊接、激 光焊接和切割。在激光釬焊過程中，焊條的位置和方向等工藝參數(shù)或者液相的尺 寸可以通過分析CMOS!機拍攝的圖像得到。止匕外，還可以對焊縫的凝固表面進 行評估。對于復合激光電弧焊接，可以確定出熔池和固 -液相之間的邊界。在焊 縫缺陷剛發(fā)生時就可以被觀測出來。 激光焊接和切割加工過程中，激光加工探頭 與被加工件之間的相對移動和熔池的幾何尺寸可以通過安裝的過程檢測系統(tǒng)獲 得。Kruth等人提出了一個可以檢測SLM過程來調節(jié)激光的功率，改進了結構凸 出的問題。加工圖象記錄儀與兩個傳感器（CMOS!機和光電二極管）同軸布置。 通過CMOS!機得到的熔池尺寸關系與光電二極管的信號相結合，系統(tǒng)

16、可以根據(jù) 不同區(qū)域的導熱性（如凸出結構）來調整激光的輸出功率。為了在高速掃描下得到高質量的處理圖片，額外的照明設備是必須的。止匕外， 由固定相機可拍攝的圖片區(qū)域是有限的，因此將加工檢測系統(tǒng)設計成同軸組裝結 構。掃描時工藝檢測系統(tǒng)的基本結構如圖 2所示，加工激光束通過分色鏡反射到 掃描設備上，掃描設備根據(jù)從CAD真型獲得的幾何數(shù)據(jù)將激光束偏轉。 最后，激 光束通過f- 8鏡片聚焦到加工區(qū)域。加工區(qū)域通過照明激光束照明。照明激光 束通過電子束分束器偏轉，并且通過分色鏡傳播。通過加工激光束可以實現(xiàn)定位 和聚焦。加工區(qū)域的圖像信息通過f- 8鏡片、掃描頭、分色鏡分光板在整個系 統(tǒng)中傳輸。裝配必須設計成

17、可以避免圖像不清晰并且確保圖像信息可以被高速相 機捕捉到總而言之，用于激光PBF的原位監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)工作集中于使用在線相機對 熔池進行監(jiān)測，結合光電二極管和一些閉環(huán)控制熔體池溫度。不太復雜的離線系 統(tǒng)不需要機器集成，課進一步用于研究熔池行為。目前，測微技術很流行、但是 有限的視野和數(shù)據(jù)捕獲速率限制了閉環(huán)系統(tǒng)的發(fā)展。IR系統(tǒng)已經顯示出對激光PBF處理的原位檢測的良好潛力，已經進行熔融池監(jiān)測以及諸如（人造）孔的材 料不連續(xù)性的檢測，但是尚未被集成到機器中（是一個獨立的系統(tǒng)）。盡管分析任務在很大程度上是手動活動，并且仍然要實現(xiàn)閉環(huán)反饋，使用高速照相機對更 寬的粉末床進行成像已經使得粉末床中由于重涂器

18、的損壞和過度加工導致部分 卷曲的區(qū)域出現(xiàn)缺陷。7 .原位工藝檢測面臨的難點及一些改進方案1 .原位工藝檢測面臨的難點雖然激光和電子束-PBF工藝遵循大致相同的工藝步驟，但是不同的設備和 工藝條件為原位工藝檢測提出了許多挑戰(zhàn)。例如，（1） 用于在電子束-PBF處理期間偏轉電子束的電子磁性線圈禁止同軸布 置；（2）并且來自熔池的金屬的蒸發(fā)和冷凝會導致機器觀察窗的金屬化；（3）加工在真空中進行，限制了檢查設備集成于機器內部；（4）由于電子束能量源的快速，瞬態(tài)性質，基于測溫的方法被認為是不 適合的。2 .現(xiàn)有的一些改進方案Schwerdtfeger 等人配備了 ArcamA2 電子束-PBF 系統(tǒng)和

19、FLIR Systems A320 紅外攝像機,處理分辨率為 320 X 240像素。將相機與電子束槍一起以與粉末床 成15°的角度放置，用硒化鋅(ZnSe)窗口屏蔽以保護設備免于金屬化。在熔 化之后及在下面的粉末層被掃過之前快速拍照，將該圖像與研磨樣品的光學圖像進行比較。IR圖像的分辨率是有限的，但是與發(fā)現(xiàn)的空隙相關-表明較高熱輻射的區(qū)域對應于材料缺陷。通過隨后的銳化和改變圖像的對比度來提高圖像質量。 盡管自動化過程需要通過實施閉環(huán)系統(tǒng)從檢測到修復來進行，這種視覺成像設置 可以了解隨著構建的進行缺陷將如何在層與層之間傳遞。Rodriguez等人將JR相機結合到Arcam電子束-PB

20、F機中，如圖8 (a)所示，以便分析每個構層的表 面溫度分布。止匕外，此信息用于修改之后圖層的構建設置。選擇 FLIR Systems SC645高分期率( 640X480像素)紅外攝像機集成到 ArcamA2中，其測量溫度范 圍可以達到2000C。安裝紅外攝像機需要進行大量的機器改裝，包括用 ZnSe玻 璃代替以前的攝像機，安裝保護擋板，保護 ZnSe窗口 ,以及安裝氣動致動器以 激活擋板?？梢杂檬謩臃治鰣D像，測量從表面發(fā)射的輻射、來自物體的輻射、來 自環(huán)境源的反射輻射和來自大氣的輻射，并將其轉換為相對溫度讀數(shù)。在加工期 間由“過度熔化”引起的材料不連續(xù)性可以從所產生的IR圖像中識別出來，如

21、圖8 (b)所示8 .其他的方法(1)中子射線照相使由LiF / ZnS閃爍體產生，將中子轉換成光，然后可以 由CCDf機檢測(2) LU (激光超聲波)使用激光來產生和檢測超聲波，并且可以用于檢測材 料不連續(xù)性，用于材料表征和確定材料厚度。脈沖激光用于產生超聲波， 并且當波到達檢測點時，用連續(xù)波激光干涉儀檢測小表面位移。LU是非 接觸式的，可用于彎曲或難以接近的區(qū)域，使其適用于AM(3)超聲波測試可以有效地檢測材料的缺陷，厚度，粒度，密度 /孔隙率和 機械性能，但是由于接觸超聲波不能在 500K以上工作，其使用僅限于 超聲波固結(U。的原位檢查，而且測量系統(tǒng)對表面光潔度和顆粒噪聲 高度敏感。

22、(4) X射線反向散射技術(XBT適用于檢查AM部件，因為它不易受表面粗 糙度的影響。由于X射線源和檢測器位于物體的同一側，因此可以容易 地對大結構進行測試；實時成像允許遞歸掃描。采用XBT的突出挑戰(zhàn)包 括制定標準和程序，高掃描速度所需的大型設備以及定制 X射線源的有 限可用性(5)非直接的無損探傷方法：熱分析和光學分析，沒有原位和在線測量(用 于選擇性激光燒結)，不能直接獲得缺陷的尺寸和特征?？梢曰趯θ?池的監(jiān)測情況進行分析推斷缺陷的信息。在鍥基合金的零件制造中，使 用溫度記錄(由紅外攝像機檢測得到)用通過檢測冷卻速率而獲取的小 于100 n m的缺陷來對零件構造進行分析(6)直接檢測技術

23、研究零件原位的物理現(xiàn)象。選擇性激光燒結制造中，在搭 建平臺的下方安裝一個超聲波傳感器來對零件的構造進行探測。這種檢測方法提供的缺陷的尺寸和位置信息很有限，只提供在加工過程中所檢 測出的缺陷所在的層數(shù)。關于選擇性激光燒結的光學斷層成像檢測技術(OCT的研究表明用表面和表面下的信息來實現(xiàn)工藝檢測是可行的。波長低至9仙m的表面缺陷和粗糙度都可以被分辨出來，燒結材料表面 之下低至200 pm處的材料松動也可以被檢測到。 尺寸大于100仙m的表 面缺陷可以被檢測到(7)非直接非原位零件檢測技術：X射線計算機斷層技術(XCT。用XCT支 術對電子束粉末融床樣品的分析表明，其可以檢測出120pm以上的缺陷8

24、. AM質量控制未來發(fā)展方向(主要突破點)(1)基于視覺和熱計量解決方案在某種程度上解決了 AM的質量控制問題， 但是具體需要的是在相對大的區(qū)域(高達幾平方厘米)上將 3D結構以較高的空 間分辨率表征出來的能力。(2) AMW量任務越來越受物體面的光學基本原理限制，例如：空間分辨率 和視場之間的平衡；由于運動模糊導致的有效空間分辨率的損失；整個檢查區(qū)域的光學性質的動態(tài)范圍。這些限制意味著整個表面的更快的 “強力”測量對數(shù)據(jù) 管理和分析提出了巨大挑戰(zhàn)。(3) AM計量挑戰(zhàn)的一個潛在解決方案是使用混合儀器，用相對低分辨率的 傳感器(例如,基于相機的傳感器)檢測需要的區(qū)域，然后使用局部化的高分辨 率

25、傳感器來“感應”這片區(qū)域。在一些情況下,低分辨率傳感器可以使用檢測從 感興趣點(如劃痕)的散射光的方法，因此允許高分辨率檢測而不需要成像。最 后，需要開發(fā)用于處理當在相對大的區(qū)域上測量到高分辨率圖像時將產生的潛在 非常大的數(shù)據(jù)集的方法。(4)為了減小材料的不連續(xù)性而采用的對材料參數(shù)的實時識別和閉環(huán)控制 受限于差的空間分辨率，觀察區(qū)域的有限性，高時間負荷(5)要處理的數(shù)據(jù)太過于龐大。電子束選區(qū)熔化成形技術缺陷：基于 SEBM?£形原理，如果成形工藝控制不 當，成形過程中容易出現(xiàn)“吹粉”和“球化”等現(xiàn)象，并且成形零件會存在分層、 變形、開裂、氣孔和熔合不良等缺陷。1. Ralph B.

26、Dinwiddie, Ryan R. Dehoff, Peter D. Lloyd, Larry E. Lowe and Joe B. Ulrich. Thermographic In-Situ Process Monitoring of the Electron Beam Melting Technology used in Additive Manufacturing(1)橡樹嶺國家實驗室用ARCAW子束熔化技術，采用增材制造的方式直接由 金屬粉末加工具有復雜幾何結構的零件。 盡管已經證實這項技術可以減少 花費、減少加工間隔時間、能夠加工出采用傳統(tǒng)加工技術不能加工出來的 有復雜幾何結構的零件，要保證零件的質量卻有很大的挑戰(zhàn)。由于加工過 程是材料一層一層依次沉積而成，可以在不損壞零件的前提下對每一層進 行檢測。由熔池里的金屬蒸發(fā)和凝結而在零件內表面形成敷金屬給現(xiàn)場過 程監(jiān)控帶來了很大的困難。本研究提出了一個解決在電子束融化制造過程 中對加工室內的情況連續(xù)成像的辦法。這里使用了一個不斷移動的聚酯亞 胺薄膜膠卷盒。結果與現(xiàn)場過程監(jiān)控技術及其對機械性能和加工可靠性的 提高有關。(2)本文描述了 一種溫度記錄圖的方式來對電子束融化加工進行監(jiān)測的方法。 電子束融化加工技術是由瑞典的 ARCA吠司提出的，整個加工過程在為加 熱的真空室(也稱作構建室)里進行，如