激光增材制造中的過程監(jiān)控

1、2015-03-1900:21:03在過去的近兩年時間里，增材制造(AM)金屬零件的技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域引發(fā)了巨大的風暴。艮據(jù)業(yè)內(nèi)專家TerryWohlers(WohlersAssociates公司)的介紹，增材制造行業(yè)在2013年整體增長了34.9%,其中金屬增材制造子行業(yè)增長超過75%。Wohlers評論說：“過去十年，金屬增材制造行業(yè)的發(fā)展超過了塑料25年內(nèi)走過的路。包括汽車、醫(yī)療以及航空航天在內(nèi)的需求推動著金屬增材制造工藝的突飛猛進。GE航空發(fā)動機(GEAviation)公司打算用增材制造技術(shù)來生產(chǎn)他們的LEAP引擎的燃油噴嘴，同時歐洲航空防務及航天公司(EADS)也對用于空客飛機的增材制造

2、結(jié)構(gòu)零件做出了評估，綜上表明，粉末床金屬增材制造技術(shù)已經(jīng)開始被行業(yè)接受。盡管如此，問題仍然存在，例如工藝的可靠性和成品零件的材料性能的重復性oFlorianBechmann博士(德國OEM設(shè)備制造商ConceptLaser公司的研發(fā)總監(jiān))在最近一次接受采訪時指出：“在金屬增材制造設(shè)備領(lǐng)域，越來越多的客戶對過程監(jiān)控和連續(xù)生產(chǎn)的能力提出期許,例如工業(yè)級的復現(xiàn)性。”激光選區(qū)熔化(SLM)增材制造工藝的在線實時監(jiān)控承諾可以滿足上述需求，但是這一監(jiān)控技術(shù)目前還處于發(fā)展的初期階段。在這篇文章里，我們將回顧增材制造研究與設(shè)備開發(fā)中這一熱門技術(shù)的現(xiàn)狀。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

3、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)的整個工作區(qū)中使用刮板來進行平整粉末的步驟，以在構(gòu)建平臺上建立粉末床，整個過程是在可以控制內(nèi)部環(huán)境的成形保護室內(nèi)進行。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。酈/靶于GorigKuhg軻遣世博甘制達聊末抹累統(tǒng)的籬琛眾矗團.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150“m。在每一次激光照射后將額外的粉末從工作區(qū)刮掉，然后重復上述過程，直到構(gòu)建出一個堅固的三維（3D）零件。每一個“構(gòu)建”過程包含數(shù)以千計的分層，因

4、此每次運行需要花費幾十到幾百個小時。每一次“構(gòu)建”可以生成數(shù)十個相同或不同的零件。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雜的熱演化歷程。一些主要用于航空航天和醫(yī)療/牙科應用的合金零件甚至可能會遇到反復的固態(tài)相變。這些因素使得對成品顯微結(jié)構(gòu)屬性的分析，相對那些使用傳統(tǒng)方式制造的零件而言，變得更為復雜。頻繁的定向熱量提取會導致晶粒結(jié)構(gòu)在Z軸方向（垂直于構(gòu)建平臺）呈柱狀，并且“在增材制造中，各處的顯微結(jié)構(gòu)和力學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。航天應用特別關(guān)注的是靠近

5、零件表面的孔隙引發(fā)的疲勞裂紋，同時表面光潔度也會對疲勞壽命造成影響。綜合上述問題一起考慮，特別是那些對結(jié)構(gòu)起到關(guān)鍵作用的零件，廣泛應用增材制造技術(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道都在呼吁借助在線、閉環(huán)的過程控制和傳感器來確保增材制造的質(zhì)量、一致性和再現(xiàn)性。總體的目標是在空間分辨率低于1mm2的情況下實現(xiàn)穩(wěn)定的分層質(zhì)量評估，這將免除通常在構(gòu)建后進行的檢測或破壞性測試。領(lǐng)先的航空航天制造商也非常支持在線監(jiān)測：GE航空發(fā)動機公司的增材制造業(yè)務拓展總監(jiān)GregMorris先生說：“如今，增材制造一個引擎零件所需要的時間中有25%是用于后檢測工序。通過在

6、構(gòu)建過程中實時進行在線檢測，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，因為后者會反過來擾亂金屬的微觀結(jié)構(gòu)或宏觀力學性能。包括構(gòu)建平臺和成形保護室的溫度、保護室的氧氣濃度、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的關(guān)鍵參數(shù)。晶粒的粒徑分布和形狀將會影響每一層粉末結(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)鍵的運行參數(shù)包括掃描速度和掃描間距（x-y），盡管

7、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性方面保持高度一致。最后一點，零件的幾何形狀將會影響熱傳遞過程。材料的懸垂部分和尖銳棱角部位的熱傳遞有所不同，會引起應力變形以及孔隙、針孔或顯微裂紋。SLMSolutionsNA公司北美地區(qū)運營副總裁JimFendrick指出：“局部的熱力狀態(tài)決定了整個過程，幾何形狀也有關(guān)系?！比绾伪ＷC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)備實現(xiàn)實時質(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)的各個方面；粉末床表面或?qū)雍竦娜毕?不規(guī)則的評估技術(shù)；對激光與材料

8、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)供應商，例如SLMSolutions（德國Lubeck）公司、ConceptLaser公司和EOS公司（德國Krailling）,都在借助模塊化硬件和軟件的方法來應對這些挑戰(zhàn)°EOS為其模塊命名為“EOSTATE”，而ConceptLaser則將其命名為“QM”（質(zhì)量管理）模塊。SLMSolutions公司的最新系統(tǒng)最多能包含六大模塊，每一個模塊都是根據(jù)自身的功能來命名。設(shè)備狀態(tài)的傳感這是商業(yè)化增材制造設(shè)備實現(xiàn)其“過程監(jiān)控”的第一個方面。第一步是控制成形保護室內(nèi)部的狀態(tài)。對惰性環(huán)境的溫度和殘余氧氣含量、構(gòu)建平臺的溫度和系統(tǒng)的

9、氣體凈化過濾器的壓差進行監(jiān)控、管理并錄入計算機。ConceptLaser的QMatmosphere模塊能調(diào)節(jié)成形保護室的氧氣濃度，而EOS的EOSTATEBase模塊能同時監(jiān)測幾個成形保護室和其他的設(shè)備狀態(tài)。SLMSolutions的Sensors模塊能監(jiān)測整個設(shè)備范圍內(nèi)數(shù)個位置的溫度、過濾器的狀態(tài)、成形保護室內(nèi)的氧氣濃度，并且每隔兩秒就將這些數(shù)據(jù)錄入到計算機。設(shè)備狀態(tài)傳感的下一步涉及到激光器和光學元件。截至撰寫本文為止，激光器/光學元件的監(jiān)測通常包括簡單地將激光子系統(tǒng)和掃描器自校準的額定狀態(tài)的數(shù)據(jù)錄入計算機（EOS的EOSTATEBase）、測量和控制激光功率（EOS的EOSTATELase

10、rMeasurement模塊、ConceptLaser的QMlaser模塊和SLMSolutions的LaserPower模塊）。因為激光的功率密度決定著熔池的大小以及激光光束經(jīng)過粉末時引起的溫度變化，所以對激光光束的束腰定位或相對于粉末表面的焦散面進行控制也是非常重要的。SLMSolutions公司的CausticControl模塊可以實現(xiàn)上述功能。收集軸上光發(fā)射并分離到傳感器中，從而對焦斑大小、焦平面位置和光束能量分布進行連續(xù)檢測。當發(fā)生焦點漂移或者情況發(fā)生變化時，警報將被觸發(fā)，或者構(gòu)建過程將被終止。增材制造設(shè)備供應商也已經(jīng)開始監(jiān)測和控制粉末床的均勻性。這通常需要獲取整個粉末床的可見光圖像

11、，在圖像中，那些非均勻的部分將會被比對出來。EOS最新設(shè)備的EOSTATEPowderBed模塊包含這一功能，可以把每一層的兩幅圖像記錄下來以備線下檢查。同樣，SLMSolutions公司的LayerControlSystem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)建過程中對圖像進行自動分析和異常檢測，并標記出來。當構(gòu)建多個相同的零件時，對圖像子區(qū)域進行局部分析，可以顯示出每個零件在構(gòu)建過程中的誤差。這樣就可以停止構(gòu)建有缺陷的零件，同時繼續(xù)構(gòu)建其他沒有缺陷的零件，從而節(jié)省時間和材料。ConceptLaser的QMcoating模塊對分層重涂覆過程進行了更積極地控制。它

12、可以在粉末鋪放時監(jiān)測層的表面，對每一層或是整個構(gòu)建區(qū)域的層厚變化進行檢測并補償（圖2）。駆；eg拆At匸曲蘭較祠的心敝詛斕茶統(tǒng)即以週童曲娛的淨醛GongKung.tom/jJSGoncsptLasri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)控的首要目標是捕獲零件中所有三維位置的溫度。然而，這種所謂的“熱圖（heatmap）”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)存儲方法的不斷進步，我們可以著手解決這些挑戰(zhàn)一一逐點收集并存檔熱力信息。OEM設(shè)備供應商、創(chuàng)新型的小公司以及政府研究機構(gòu)都有相關(guān)的開發(fā)計劃。他們的任務是收集能直接或間接顯示

13、激光焦點周圍某一小區(qū)域（稱為“熔池”）溫度的信息。理想情況下，可以在約lmm2的單個區(qū)域內(nèi)進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，這里的任務明顯難度更大；這是因為，高的光束掃描速度（lm/s）和所要求的精細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)備都不能實現(xiàn)，但是目前最高端的紅外設(shè)備可以達到該幀率。對光發(fā)射檢測來

14、說，采用的是光學測溫或光譜的變化。最常見的裝置包括一個光電二極管（在上游帶有或不帶紅外帶通濾波器）。兩個這樣的濾波探測器可以用來實現(xiàn)雙色測溫技術(shù)。圈*CancelE遜r皙廚厲0伽抬緲曲羽統(tǒng)可蹴襯的鮭魅左射進行曲明霄Ktl鸚耶©郵的熱方倍亟片朵占QflflwpFEiWur盤哥/敝嚨1Imnf1煙酒的雄發(fā)謝井梢詢齡黑相機疋電二粗管mrlrpoci崔廉掃播戡在許多案例中，設(shè)備供應商正在開發(fā)結(jié)合了成像和發(fā)射傳感的復合傳感器。圖3簡要地顯示了ConceptLaser公司是如何在其QMmeltpool模塊中實現(xiàn)該方案的。具有l(wèi)Xlmm2觀測區(qū)（高的空間分辨率）的同軸可見光相機獲取圖像的幀率高達每

15、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。為了應對潮水般涌來的數(shù)據(jù)，每一整個分層的信息被合并在一起并存儲，而不是存儲每一層內(nèi)所有的單個點的信息。根據(jù)Bechmann所說，相機可以拍攝“非常詳細的圖片”，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”。軌激光功率的變牝取精細零件的爲購:議琴的構(gòu)建或歸佃邦澤低邀光功哼后構(gòu)譬成品黔吐灌注熱占罔中那拌的儲椚被閑臺幾ConceptLasers）SLMSolutions正在開發(fā)的MeltPoolControl模塊主要是在兩個波長進行快速

16、的單點紅外發(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點（70“s）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)熔池信息實現(xiàn)真正的閉環(huán)功率控制。圖5顯示的微細柵格試驗結(jié)構(gòu)可以明顯看到熔池控制帶來的影響。EOS公司實現(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plasmoIndustrietechnik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)利用一個或多個離軸光電二極管來收集激光誘導等離子體的寬頻帶光發(fā)射。采用大量的

17、專利信號處理算法從時間和頻率方面對信號進行分析，從而檢測出異常情況的發(fā)生。當系統(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，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的增材制造實驗室經(jīng)理PrabhjotSingh觀察到：“增材制造的零件由數(shù)以千計的分層構(gòu)建而成，每一層的問題都有可能使得整個零件構(gòu)建失敗。我們?nèi)匀徊幻靼祝瑸槭裁床煌O(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?！钡搅巳缃?，這一評估在很大程度上仍然正確。與此同時，包括GE航空發(fā)動機公司在內(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)庫和確認每臺設(shè)備是否合格。他們將可能在未來12至18個月內(nèi)開始提速其生產(chǎn)，他們沒有對其生產(chǎn)設(shè)備進行過程監(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。因此，它們有可能不是實時檢測增材制造過程中的異常的最佳手段。金屬增材制