由于金屬3D打印具有復(fù)雜的物理冶金過(guò)程，現(xiàn)行的技術(shù)手段很難確保加工工藝的可重復(fù)性和質(zhì)量一致性，這一點(diǎn)極大限制了激光增材制造的廣泛應(yīng)用，尤其是航空航天領(lǐng)域的高附加值零部件的批量生產(chǎn)。

質(zhì)量保證和過(guò)程監(jiān)控一直以來(lái)都是金屬3D打印技術(shù)的熱門(mén)研究，有效、可靠的質(zhì)量保證手段是增材制造用戶最重要的需求。

目前行業(yè)領(lǐng)先的增材制造設(shè)備商均采用過(guò)程監(jiān)控技術(shù)解決這一問(wèn)題， 如EOS的EOSTATE模塊，SLM solutions的QAS模塊，Renishaw的InfiniAM模塊，以及Concept Laser的QMmeltpool模塊等，國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的發(fā)展稍顯不足。

為了保障航空航天領(lǐng)域?qū)Ω吒郊又诞a(chǎn)品增材制造過(guò)程的可追溯性、工藝可重復(fù)性和性能一致性的要求，西安空天機(jī)電智能制造有限公司（簡(jiǎn)稱西空智造）推出了一款國(guó)產(chǎn)激光增材過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含粉末床在線監(jiān)控模塊和熔池在線監(jiān)控模塊，針對(duì)激光粉末床熔融工藝的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控。

粉末床監(jiān)控模塊可以實(shí)現(xiàn)鋪粉狀態(tài)的在線識(shí)別，打印精度的實(shí)時(shí)分析以及零件打印結(jié)果的三維重構(gòu)；不僅可用于質(zhì)量監(jiān)測(cè)，還可兼容適應(yīng)性加工以及零件嫁接。熔池監(jiān)控模塊一方面可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)熔池是否失穩(wěn)，另一方面可作為工藝策略優(yōu)化的定量化指針以及熔池熔化凝固的熱力學(xué)/動(dòng)力學(xué)分析工具。此外，在線監(jiān)控也是打印過(guò)程閉環(huán)控制以及智能化的基礎(chǔ)。接下來(lái)，我們將逐一進(jìn)行介紹，并對(duì)典型應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行展示。

鋪粉監(jiān)控模塊

簡(jiǎn)介：鋪粉監(jiān)控模塊主要用于監(jiān)測(cè)激光粉末床熔融制造過(guò)程鋪粉和打印后狀態(tài)監(jiān)測(cè)；識(shí)別鋪粉和打印過(guò)程中的異?，F(xiàn)象，進(jìn)行缺陷智能化分析，實(shí)時(shí)閉環(huán)控制，保證鋪粉和成型質(zhì)量，提高打印過(guò)程的可控性。粉床加工過(guò)程

過(guò)程監(jiān)測(cè)：基于圖像處理和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，實(shí)時(shí)對(duì)鋪粉和打印過(guò)程的缺陷進(jìn)行標(biāo)記和分類(lèi)，包括刮刀抖動(dòng)、刮刀拖拽、不完全鋪粉、零件漏出、黑斑等典型異常。

閉環(huán)控制：針對(duì)異常情況實(shí)時(shí)反饋，如再鋪粉、停機(jī)、工藝參數(shù)調(diào)整等，確保打印過(guò)程中鋪粉均勻性和穩(wěn)定性，提高打印質(zhì)量。

統(tǒng)計(jì)分析：全過(guò)程的歷時(shí)數(shù)據(jù)可便捷查看和追溯，可進(jìn)行三維模型重構(gòu)，并對(duì)不同切片特征進(jìn)行觀察和缺陷統(tǒng)計(jì)，出具零件質(zhì)量分析報(bào)告。

用戶參與：可實(shí)現(xiàn)實(shí)體區(qū)域自定義、每層區(qū)域自定義、各類(lèi)缺陷閾值自定義、原始數(shù)據(jù)提供，同時(shí)支持用戶個(gè)性化定制。

熔池在線監(jiān)控模塊

簡(jiǎn)介：熔池監(jiān)控模塊是一種將激光粉末床熔融過(guò)程中熔池信息可視化的監(jiān)測(cè)工具。實(shí)時(shí)記錄生產(chǎn)過(guò)程中熔池產(chǎn)生的等離子體輻射和熔池形貌數(shù)據(jù)，是工藝開(kāi)發(fā)、優(yōu)化和評(píng)估的重要資源?？蓪⒘悴考a(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量信息完整記錄并標(biāo)識(shí)出生產(chǎn)過(guò)程中所存在的異常情況，形成質(zhì)量文件以供用戶參考。

過(guò)程監(jiān)測(cè)：基于信號(hào)和圖像處理算法，獲得高質(zhì)量的熔池輻射強(qiáng)度、熔池形貌等信息；實(shí)時(shí)解析獲取激光掃描X/Y位置；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)激光開(kāi)關(guān)、激光功率等。實(shí)時(shí)對(duì)打印層缺陷進(jìn)行標(biāo)記和分類(lèi)，包括溫度過(guò)高，熔池失穩(wěn)、飛濺過(guò)大等典型缺陷。

閉環(huán)控制：由于熔池特征較為復(fù)雜，影響因素較多，整個(gè)過(guò)程有著非常高的動(dòng)態(tài)特性，開(kāi)發(fā)自動(dòng)修正反饋回路，硬件和工藝層面均面臨巨大挑戰(zhàn),目前該功能仍處于研制階段。

統(tǒng)計(jì)分析：精細(xì)化分析歷史數(shù)據(jù)，全過(guò)程數(shù)據(jù)可追溯和用戶操作日志查看，不同切面掃描特征觀察及缺陷統(tǒng)計(jì)，及零件3D模型分析報(bào)告。

用戶參與：支持缺陷最小識(shí)別率設(shè)定、不同缺陷閾值自定義、原始數(shù)據(jù)提供以及用戶個(gè)性化定制。

三維可視化及缺陷重構(gòu)代替CT檢測(cè)

基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)生成三維模型，結(jié)合圖像處理算法和機(jī)器學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)缺陷重構(gòu)，對(duì)缺陷位置、類(lèi)型和形貌進(jìn)行標(biāo)記和分類(lèi)，代替昂貴的CT檢測(cè)結(jié)果。

工藝策略控制和優(yōu)化工具

為用戶提供所有原始數(shù)據(jù)，配置數(shù)據(jù)分析模塊和工具，為工藝優(yōu)化提供解決方案和思路。

缺陷識(shí)別與反饋

建立3D打印過(guò)程的閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)工藝控制智能化和零缺陷零件制造。

鋪粉狀態(tài)以及打印過(guò)程中的在線監(jiān)測(cè)不僅有利于深入理解粉末床激光熔融的物理冶金過(guò)程，同時(shí)可作為保證零件質(zhì)量的重要手段。西空智造推出的增材制造過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)，無(wú)疑將推動(dòng)國(guó)產(chǎn)金屬增材制造技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程，同時(shí)將為航空航天增材制造的工藝穩(wěn)定性和可重復(fù)性提供質(zhì)量保障。目前，該產(chǎn)品已在空軍工程大學(xué)航空備件應(yīng)急保障制造和搶修中得到應(yīng)用。

3D打印熔池監(jiān)控設(shè)備也曾在2019年5月11日開(kāi)幕的第四屆絲博會(huì)上引起關(guān)注。當(dāng)時(shí)該設(shè)備為西安空天能源動(dòng)力智能制造研究院有限公司（西空智造股東）在參與“航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)”（簡(jiǎn)稱：“兩機(jī)”）國(guó)家重大科技專項(xiàng)研究中取得技術(shù)突破，解決了3Ｄ打印在線監(jiān)控、質(zhì)量回溯和工藝優(yōu)化方面的“可視化”難題。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外掀起了3D打印增材制造技術(shù)發(fā)展熱潮，已被運(yùn)用到多種行業(yè)領(lǐng)域，而3D打印的金屬增材制造技術(shù)想要達(dá)到大規(guī)模應(yīng)用，質(zhì)量的一致性就成了最主要的挑戰(zhàn)之一。只有在成形過(guò)程中實(shí)施熔池在線監(jiān)控，實(shí)時(shí)有效的獲取工藝過(guò)程大數(shù)據(jù)，才能實(shí)現(xiàn)質(zhì)量回溯、質(zhì)量管控及工藝優(yōu)化。據(jù)悉，金屬增材制造在線監(jiān)控存在一系列技術(shù)難題，如光譜波段選擇與分光濾光、海量數(shù)據(jù)快速存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)分析、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)重構(gòu)與制造質(zhì)量關(guān)聯(lián)等。

據(jù)介紹，這個(gè)看似不起眼的“藍(lán)盒子”，卻能解決大問(wèn)題，它是一種在粉末床激光熔融和激光熔覆加工過(guò)程中將熔池信息可視化的檢測(cè)工具。該設(shè)備由西安空天能源動(dòng)力智能制造研究院有限公司聯(lián)合等離子體動(dòng)力學(xué)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)，由西安空天機(jī)電智能制造公司進(jìn)行不斷升級(jí)優(yōu)化，并在2020年上海tct展上獲得一致好評(píng)。設(shè)備包含硬件和軟件等全套解決方案，可以在已有增材制造商業(yè)化設(shè)備上加裝，可實(shí)時(shí)、快速、可靠地監(jiān)測(cè)熔池輻射強(qiáng)度變化并分析熔池形貌信息，同時(shí)獲取熔池對(duì)流特性和溫度梯度信息，并通過(guò)熔池監(jiān)測(cè)對(duì)成形缺陷智能識(shí)別。

相關(guān)負(fù)責(zé)人表示：“目前，這款產(chǎn)品已經(jīng)在襄陽(yáng)航泰、北京易加三維等單位進(jìn)行試用，在鈦合金整體葉盤(pán)增材制造與修復(fù)、單晶/定向凝固葉片修復(fù)等卡脖子技術(shù)突破和產(chǎn)業(yè)化中發(fā)揮重要作用。”

轉(zhuǎn)載自3D打印技術(shù)參考