深度解讀激光增材制造中的過(guò)程監控

Concept Laser的QMcoating模塊對分層重涂覆過(guò)程進(jìn)行了更積極地控制。它可以在粉末鋪放時(shí)監測層的表面，對每一層或是整個(gè)構建區域的層厚變化進(jìn)行檢測并補償(圖2)。

監控熔池

由于增材制造零件的顯微結構屬性由材料的熱演化過(guò)程來(lái)決定，因此增材制造過(guò)程監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(heat map)”涉及的數據量大得驚人。如今，隨著(zhù)傳感器、信號處理算法以及數據存儲方法的不斷進(jìn)步，我們可以著(zhù)手解決這些挑戰——逐點(diǎn)收集并存檔熱力信息。OEM設備供應商、創(chuàng )新型的小公司以及政府研究機構都有相關(guān)的開(kāi)發(fā)計劃。

他們的任務(wù)是收集能直接或間接顯示激光焦點(diǎn)周?chē)骋恍^域(稱(chēng)為“熔池”)溫度的信息。理想情況下，可以在約1mm2的單個(gè)區域內進(jìn)行直接的空間分辨溫度測量。此外，通過(guò)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(lái)說(shuō)，這里的任務(wù)明顯難度更大;這是因為，高的光束掃描速度(~1m/s)和所要求的精細的空間分辨率意味著(zhù)必須采集和處理高帶寬信號以及存儲海量的數據。

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(jìn)行成像和收集發(fā)射的光。就成像而言，紅外線(xiàn)(IR)和可見(jiàn)光照相機正在開(kāi)發(fā)之中，雖然其所需的幀率非常高(每秒數千幀)，幾乎所有設備都不能實(shí)現，但是目前最高端的紅外設備可以達到該幀率。對光發(fā)射檢測來(lái)說(shuō)，采用的是光學(xué)測溫或光譜的變化。最常見(jiàn)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)這樣的濾波探測器可以用來(lái)實(shí)現雙色測溫技術(shù)。

在許多案例中，設備供應商正在開(kāi)發(fā)結合了成像和發(fā)射傳感的復合傳感器。圖3簡(jiǎn)要地顯示了Concept Laser公司是如何在其QMmeltpool模塊中實(shí)現該方案的。具有1×1mm2觀(guān)測區(高的空間分辨率)的同軸可見(jiàn)光相機獲取圖像的幀率高達每秒4000幀。如果需要的話(huà)，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(lái)的數據，每一整個(gè)分層的信息被合并在一起并存儲，而不是存儲每一層內所有的單個(gè)點(diǎn)的信息。根據Bechmann所說(shuō)，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(hù)”。

SLM Solutions正在開(kāi)發(fā)的Melt Pool Control模塊主要是在兩個(gè)波長(cháng)進(jìn)行快速的單點(diǎn)紅外發(fā)射測量。通過(guò)分析將數據提取出來(lái)形成熱能的二維圖像。數據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，該系統很快就能以這種速度動(dòng)態(tài)地調整激光輸出功率，根據熔池信息實(shí)現真正的閉環(huán)功率控制。圖5顯示的微細柵格試驗結構可以明顯看到熔池控制帶來(lái)的影響。

EOS公司實(shí)現熔池監控的方法有稍許不同。該公司不是通過(guò)公司內部研發(fā)，而是與plasmo Industrietechnik公司(奧地利維也納)展開(kāi)了合作，后者的fastprocessobserver系統已經(jīng)在激光焊接領(lǐng)域證明了自己。該系統利用一個(gè)或多個(gè)離軸光電二極管來(lái)收集激光誘導等離子體的寬頻帶光發(fā)射。采用大量的專(zhuān)利信號處理算法從時(shí)間和頻率方面對信號進(jìn)行分析，從而檢測出異常情況的發(fā)生。當系統參考了已知的會(huì )產(chǎn)生缺陷和沒(méi)有缺陷的工藝條件后，就可以將檢測到的異常與不同類(lèi)型的缺陷一一聯(lián)系起來(lái)。粉末床增材制造面臨的挑戰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(shí)，plasmo的監控系統已經(jīng)與EOS的設備集成在一起，并且正在被一個(gè)重要的終端用戶(hù)評估。

總結與展望

在2011年年底，GE的增材制造實(shí)驗室經(jīng)理Prabhjot Singh觀(guān)察到：“增材制造的零件由數以千計的分層構建而成，每一層的問(wèn)題都有可能使得整個(gè)零件構建失敗。我們仍然不明白，為什么不同設備生成的零件會(huì )略有不同，甚至同一臺設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)機公司在內的先驅者多年來(lái)一直研究他們的增材制造設備的細微差別，表征工藝窗口和靈敏度，創(chuàng )建工藝數據庫和確認每臺設備是否合格。他們將可能在未來(lái)12至18個(gè)月內開(kāi)始提速其生產(chǎn)，他們沒(méi)有對其生產(chǎn)設備進(jìn)行過(guò)程監控或閉環(huán)激光功率控制，而是憑借自己深厚的知識儲備來(lái)生產(chǎn)質(zhì)量?jì)?yōu)良的零件。

如今，增材制造過(guò)程監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。因此，它們有可能不是實(shí)時(shí)檢測增材制造過(guò)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，設備和粉末材料的相關(guān)技術(shù)在突飛猛進(jìn)。傳感和數據分析技術(shù)也是如此。目前正在對激光粉末床的相互作用進(jìn)行物理上的互動(dòng)模擬，并建立詳細的數據庫，包括材料性能、工藝參數和粉末特征。未來(lái)幾年，這些技術(shù)將可能幫助制造商研發(fā)出最理想的監測器和傳感器，逐點(diǎn)監測熔池或是接近熔池的點(diǎn)。同時(shí)，快速的創(chuàng )新會(huì )繼續進(jìn)行，盡管真正強有力的過(guò)程監控與控制可能仍然需要數年之久才能實(shí)現?？紤]到主要的制造商在計劃批量生產(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(guò)程監控相關(guān)的各種技術(shù)正在你追我趕，且看誰(shuí)能勝出。