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Stratonics金属3D打印在线监测系统持续升温

随着全球制造业巨头GE收购两大金属3D打印公司Arcam和SLM Solutions消息的传来,整个3D打印行业的热情空前高涨。考虑到GE将同时成为金属打印机用户与制造商,显然3D打印技术已成为主流。

然而,在成为可靠的、大面积应用的零件加工方法前,金属增材制造仍然有障碍待客户。金属3D打印机潜在用户首要关心的是成本、生产力和质量三大互相影响因素。如果一个系统能够可靠低生产出高质量零件,那么花费几百甚至上千万元购买金属打印机是值得的。

按照目前的情况,打印出高质量的金属件主要依靠反复尝试。对每个给定的打印对象和材料,设备操作人员在优化打印参数上要付出大量汗水。尽管有些公司(如3DSIM)试图开发先进仿真软件来解决这一难题,位于加州森林湖的Stratonics公司却专注于研究能精确监测打印过程的技术。

借助于传感器与软件套件,Stratonics公司通过监测打印过程温度数据来提供打印预测,并产生可用于优化以后作业或实施打印过程中质量控制机制的数据。这项技术非常成功,Stratonics已经和许多航空领域巨头进行了合作,并被美国橡树岭国家实验室(ORNL)选来研究3D打印质量控制。

ENGINEERING.com网站对Stratonics公司总裁James Craig进行了采访,不仅学习了监测技术的工作方式和在3D打印行业应用现状,也讨论了金属3D打印引入质量控制会如何推动行业向设计革新、成本降低的方向前进。

1、温度测量

准确获知3D打印机内能量源产生的温度并不像在节日火腿里插入温度计那么简单。那些对金属增材制造不熟悉的人可能会奇怪,为什么大部分金属打印机内部没有高精度温度计,从而来测量与金属打印材料互相作用的能量源的热量。实际上,它们一般通过高级相机来捕捉加工区域图片,由此来测量激光照射金属粉末的激光强度。

Stratonics传感器系统

相反,Stratonics的ThermaViz传感器系统基于双波长、真实温度测量技术,来得到高分辨率、高精度的热影像。基于这一技术,该公司为直接能量沉积(DED)和直接金属激光烧结(DMLS)工艺开发了三款不同传感器。其中两款传感器用来测量熔池温度,熔池内融化打印材料,并把它添加到已沉积部分。第三个传感器测量沉积部分整体温度。几个传感器一起提供了沉积部分热图片,包括加热和融化时材料的反应以及冷却过程变化。

熔池热影像

通过这些信息,设备操作人员能判断设备参数会如何影响零件最终成型。使用者可能最关心的四个参数包括激光功率、扫描速度、扫描间距、粉末层厚。

2、激光强度与温度

除了捕捉由熔池辐射的激光强度,ThermaViz系统也精确测量整个加工区域的温度。因此,当使用激光或者其他能量源打印时,持续获得能源信息变为可能,这些信息对确定打印机正常工作非常重要。

许多因素会影响到对基于相机的激光强度测量的解释。例如,打印过程中粉末可能会在镜头或者玻璃上沉积,这样会使激光发射光看起来变少,也就是能量更少。你可能会说:“熔池看起来变小了,我需要提高激光功率来使熔池恢复原始尺寸”。但是实际上只是玻璃变脏了而已。

有些3D打印机的确在用高温计,但是它们可能只捕捉一个波长,限制了温度计测量数据变化范围。根据Craig的观点,单色高温计测量结果也许并不正确,它也打印材料密切相关。

“高温计只是提供了较大区域内的平均温度,它只是温度的指示,而不是精确测量”,Craig说。打印机操作者通过反复尝试对某一材料参数进行微调,更换材料时操作员必然要重复这一经验过程。对于设备拥有者来说,这一典型过程的代价非常大。

Craig说Stratonics传感器系统并不存在这一问题,它适用于铬镍铁合金、不锈钢、钛合金、Ti-6Al-4V已经其他高温航空金属。

3、3D打印高质量零件

传感器收集的数据会输入到配套的ThermaViz软件,它能帮助设备操作人员为以后任务改进打印参数,或者进行当前过程质量控制。

ThermaViz

通过生成报告和温度动画,软件让对零件打印进行分析成为可能。实时温度数据也让操作者可以调整参数,比如激光功率,而不必中止打印过程。

理想情况下,这一过程是完全自动的。因此通过软硬件结合,打印机在工作工程中能在一定范围内自动调整操作参数。在实现那一目标前,有必要搞明白哪些参数能得到高质量零件。通过它的Navy SBIR程序,Stratonics对宾夕法尼亚州立大学Optomec LENS 3D打印平台实现了原型级别的控制。实时热影像用来控制沉积过程热行为,使材料性能更为一致,热再现性更好。

Stratonics

为更好理解这些,Stratonics持续升级它的传感器和控制技术,并与ORNL合作来监测和分析雷尼绍DMLS 3D打印机的热数据。通过这些信息,合作者能明白哪些参数会导致打印缺陷和金属过热,哪些设置能得到高质量零件。此外,Stratonics和ORNL会把设备设置与模拟模型互相比较,来修正实现零件特定性能的控制参数。

这项研究不仅能使打印机制造出满足航空制造商特定需求的零件,在未来也有可能实现质量控制机制与打印技术的集成。

“在掌握如何保证得到好的沉积质量后”,Craig说:“下一步是开发出确保整个打印过程中保持熔池稳定的方法。当你在加工一百个零件时,你希望它们都按照相同的方式生产,因此在加工每一层时热循序重现性要能很好保证,这样才能确保每个零件的质量。”

确保可靠性的初步方法是将控制系统集成到打印机内部,当打印机运行偏离轨迹时可以提醒用户,操作人员可以及时停止设备以避免更多材料浪费。从长远来说,打印机通过收集的数据来监测打印过程、并自动调整设置来保持加工质量是可能的。

4、金属3D打印的障碍

对大型制造商(如国防和航空企业)来说,产品和工艺质量控制的成本非常高,这会进一步阻碍金属3D打印进入主流制造业。基于这一原因,Stratonics的控制机制和ORNL的研究成果就能降低金属3D打印的质量控制成本。

然而,提高质量控制与可预测性已经已经开始进入这个行业。许多企业和研究者已经在使用ThermaViz的技术。Stratonics的传感器已经应用到RMP Innovations公司的DED设备,Concept Laser、EOS、3D Systems的DMLS打印机也在使用这一技术,SLM Solutions公司也即将采用。除了与Optomec's LENS系统合作外,大型航空与国防企业也在使用Stratonics的技术,如霍尼韦尔、波音、Aerojet、德克萨斯A&M大学、密西西比州立大学、宾夕法尼亚州立大学应用研究室等。

请记住,金属3D打印完全释放出潜力只是时间问题,在金属3D打印行业不仅只有GE扮演重要角色,世界上其他大型制造商也会参与进来。

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        文章来源:http://www.engineering.com/

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