激光增材制造过程监控的深入解释

技术基础激光增材制造（LAM）设备有两种类型：粉末床和粉末进料。近来，业界对后者的关注越来越多，本文主要讨论后者。图1示出了普通粉末床系统原理的示意图。在系统的整个工作区域中使用刮刀执行压平粉末的步骤，以在施工平台上建立粉末床。整个过程是内部环境的形状。在保护室内进行。激光能量转移到粉末床的表面，引起粉末的局部熔化和融合，并使该区域的金属粉末固化。通常，每次激光扫描可以熔化并固化几层粉末。粉末层的厚度通常为20至150μm。每次激光照射后，将多余的粉末从工作区域刮除，然后重复上述过程，直到构造出立体三维（3D）零件。每个“构建”过程都包含数千个层，因此每次运行需要数十到数百小时。每个“构建”都可以生成许多相同或不同的部分。由于金属增材制造过程中的逐层熔化和快速固化，零件经历了涉及定向传热的复杂热演化过程。一些主要用于航空航天和医疗/牙科应用的合金零件甚至可能会经历反复的固相转变。这些因素使得对成品微观结构特性的分析比使用传统方法制造的结果更为复杂。频繁的定向吸热会导致晶粒结构在Z轴方向（垂直于构建平台）呈柱状，并且“在增材制造中，组织和力学性能通常是各向异性的，而Z轴方向通常是最弱的” 。激光选择性熔化（SLM）工艺的典型缺陷包括微孔性和相邻层之间的熔合不良。航空航天应用特别关注由靠近零件表面的孔引起的疲劳裂纹，并且表面光洁度也会影响疲劳寿命。综合考虑上述问题，尤其是那些在结构中起关键作用的零件，增材制造技术的广泛应用面临的主要挑战是成品的鉴定以及如何验证其鉴定。最近，有关增材制造的一些报道要求在线，闭环过程控制和传感器来确保增材制造的质量，一致性和可重复性。总体目标是实现空间分辨率低于1mm2的稳定的分层质量评估，从而消除通常在施工后进行的检测或破坏性测试。领先的航空航天制造商也非常支持在线监控：GE Aero Engines增材制造业务开发总监Greg Morris先生说：“如今，发动机零件增材制造所需的时间中有25％用于测试。通过在施工过程中进行实时在线测试，我们将加快增材制造发动机零件（例如LEAP燃油喷嘴）的生产。 “通过监视设备和过程的可变性来解决的主要问题是增材制造设备或激光器和材料。相互作用的可变性，因为后者反过来会干扰金属的微观结构或宏观机械性能。环境因素包括构建平台和成形保护室的温度，保护室的氧气浓度以及惰性气体流过粉末表面的速度会影响工艺转换和缺陷的形成。在每次激光扫描期间，激光功率，焦斑大小和z轴方向上的功率密度变化是确定材料热偏差的潜在波动的关键参数。晶粒的粒度分布和形状将影响每层粉末结合的状态，从而影响激光增材制造零件的表面质量和密度。关键操作参数包括扫描速度和扫描距离（x-y），尽管当今的振镜扫描仪在这些方面足够稳定，并且具有良好的可重复性。就每层的厚度均匀性和可重复性而言，每层的构造或“重涂”工艺也必须高度一致。最后，零件的几何形状将影响传热过程。悬垂部分和材料的尖角之间的热传递是不同的，这可能导致应力变形以及孔，针孔或微裂纹。 SLMSolutionsNA北美运营副总裁Jim Fendrick指出：“局部热状态决定了整个过程，并且几何形状也相关。”如何确保质量鉴于影响材料累积热暴露的参数很多，增材制造设备可实现实时质量保证（QA）。方法分为三类：◆传感器监视和控制设备状态的各个方面， ◆粉末床表面或层厚缺陷/不规则的评估技术，◆激光和材料的相互作用区域小或“熔池”直接感应。增材制造系统的领先供应商，例如SLM Solutions（德国吕贝克），Concept Laser和EOS（德国Krailling），正在使用模块化硬件和软件来应对这些挑战。 EOS将其模块命名为“ EOSTATE”，而ConceptLaser将其命名为“ QM”（质量管理）模块。 SLMSolutions的系统最多可以包含六个模块，每个模块都根据其自身的功能进行命名。设备状态检测这是实现“过程监控”的商业增材制造设备的一个方面。该步骤是控制成形保护室内部的状态。监视，管理计算机，并使计算机进入惰性环境的温度和残余氧含量，施工平台的温度以及系统的气体净化过滤器的压差。 ConceptLaser的QMatmosphere模块可以调节成形保护室的氧气浓度，而EOS的EOSTATEBase模块可以同时监视多个成形保护室和其他设备的状态。 SLMSolutions的传感器模块可以监视温度，过滤器的状态，成形保护室内的氧气浓度，并每两秒钟将这些数据记录到计算机中。