Boom Supersonic是一家成立于2014年的初創(chuàng)企業(yè)，其既定目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)商業(yè)航空的超音速飛行。經(jīng)過六年發(fā)展，該公司于2020年10月7日推出了XB-1“超音速驗(yàn)證機(jī)”，成為有史以來第一架自主研發(fā)的超音速飛機(jī)。

XB-1定制的復(fù)合結(jié)構(gòu)包括3700多個(gè)零件，包括起落架、飛行控制執(zhí)行器和冷卻系統(tǒng)等。為了解決制造演示機(jī)的艱巨任務(wù)，Boom大量采用3D的金屬3D打印技術(shù)來降低成本并縮短生產(chǎn)時(shí)間。

XB-1上裝載有21個(gè)VELO 3D打印的金屬零件，包含大量的鈦合金薄壁結(jié)構(gòu)。鈦具有極高的耐熱性，但如果冷卻速度過快，則會(huì)變脆并易于開裂。盡管傳統(tǒng)技術(shù)避免了這個(gè)問題，但采用機(jī)械加工或鑄造也幾乎無法制造飛機(jī)薄壁零件，這也成為使用3D打印背后的驅(qū)動(dòng)力之一。

金屬3D打印的成品零件需要經(jīng)過熱處理和/或熱等靜壓處理來提高疲勞壽命。當(dāng)飛機(jī)在起飛和著陸時(shí)零件會(huì)周期性地加載，超音速飛行也引入了許多不同的現(xiàn)象和壓力。在很多情況下，飛機(jī)的整體結(jié)構(gòu)會(huì)圍繞部件彎曲引起應(yīng)變，當(dāng)具有不同熱膨脹系數(shù)的零件相互安裝時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力（碳復(fù)合材料、鋁合金和鈦合金）。將這些3D打印部件設(shè)計(jì)的非常薄而且靈活，實(shí)際上可以減輕一些此類問題。

由于金屬3D打印具有復(fù)雜的物理冶金過程，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)量保證和過程監(jiān)控一直以來都是金屬3D打印技術(shù)的熱門研究，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)備商均采用過程監(jiān)控技術(shù)解決這一問題， 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（簡稱西空智造）推出了一款國產(chǎn)激光增材過程監(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)控模塊等，針對激光粉末床熔融工藝的關(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，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)控也是打印過程閉環(huán)控制以及智能化的基礎(chǔ)。以下為西空智造在線監(jiān)控系統(tǒng)模塊的詳細(xì)介紹：

1 粉床模塊

1.1 產(chǎn)品簡介

粉床監(jiān)控模塊主要用于實(shí)時(shí)監(jiān)視、分析、評估和控制激光選取融化（Laser selective melting，SLM）設(shè)備鋪粉質(zhì)量。自動(dòng)抓取激光掃描和鋪粉結(jié)束時(shí)刻圖像，智能識(shí)別各類鋪粉缺陷，診斷鋪粉異常（包括傳動(dòng)故障、送粉量不足、刮刀損傷、過燒等）；采取相應(yīng)的閉環(huán)控制措施（重鋪粉、重掃描、停機(jī)報(bào)警等），確保打印過程中鋪粉均勻性和穩(wěn)定性，提高零件成型質(zhì)量。

1.2 功能介紹

n l 旁軸成像實(shí)時(shí)校正系統(tǒng)，修正相機(jī)畸變；

n l 實(shí)時(shí)監(jiān)控記錄鋪粉后和激光掃描后粉末床狀態(tài)；

n l 粉末床缺陷實(shí)時(shí)智能檢測、標(biāo)記、反饋；

n l 過程歷史數(shù)據(jù)便捷查看，全過程原始數(shù)據(jù)可追溯導(dǎo)出；

n l 形成粉末床鋪粉質(zhì)量統(tǒng)計(jì)報(bào)告。

1.3 典型案例

案例1  提供原始數(shù)據(jù)供用戶二次分析，如工藝優(yōu)化。

不同工藝參數(shù)及對應(yīng)成型試塊圖像

案例2  零件質(zhì)量追溯和問題分析，如某型號用零件表面出現(xiàn)裂紋

案例3  鋪粉質(zhì)量的自診斷和自動(dòng)控制，如檢測到零件漏出缺陷超閾值，進(jìn)行重鋪粉操作

 案例4 提供缺陷重構(gòu)三維模型，為離線檢測（如X射線）提供支持。

 三維重構(gòu) （左-零件  右-缺陷）

2 熔池模塊

2.1 產(chǎn)品簡介

熔池監(jiān)控模塊主要用于實(shí)時(shí)監(jiān)視、分析和評估SLM設(shè)備熔池信息。高速采集打印過程中熔池等離子體輻射和熔池形貌數(shù)據(jù)，結(jié)合激光掃描路徑形成二維熱圖；通過熔池特征分析、提取，實(shí)現(xiàn)模型和缺陷三維重構(gòu)。是工藝開發(fā)、質(zhì)量追溯、缺陷分析的重要資源。

2.2 功能介紹

n 同軸光路實(shí)時(shí)采集、顯示和存儲(chǔ)熔池輻射強(qiáng)度信號和形貌圖像；

n 每層熔池形貌圖像、輻射強(qiáng)度信號回放、查看；

n 自動(dòng)形成激光掃描后每層切片的溫度分布熱圖；

n 每層缺陷標(biāo)記和分類，識(shí)別溫度過高，熔池失穩(wěn)、飛濺過大等典型缺陷；

n 零件不同位置全過程原始數(shù)據(jù)（熔池強(qiáng)度信號和形貌圖像）索引和導(dǎo)出；

n 實(shí)現(xiàn)工程粉末床熔池質(zhì)量統(tǒng)計(jì)報(bào)告。

2.3 典型案例

案例1  原始數(shù)據(jù)供用戶二次分析，如研究工藝參數(shù)-熔池狀態(tài)-缺陷或性能映射關(guān)系。

案例2  基于熔池特征的二維熱圖，便于用戶進(jìn)行質(zhì)量追溯，

案例3 基于熔池特征的三維熱圖，為離線檢測（射線、CT等）提供技術(shù)參考。

3 功率模塊

3.1 產(chǎn)品簡介

功率監(jiān)控模塊分別從激光器輸出端、監(jiān)控適配器、焦平面三處實(shí)測激光功率值，實(shí)時(shí)分析和評估SLM設(shè)備輸出功率特性；可實(shí)現(xiàn)激光器實(shí)際輸出功率實(shí)時(shí)監(jiān)測；功率異常部位快速定位；長期工作功率衰減特性分析、提醒、報(bào)警和預(yù)測。

3.2 功能介紹

n 輸入功率與實(shí)際功率離線標(biāo)定；

n 激光器輸出端、監(jiān)控適配器、焦平面共3處進(jìn)行實(shí)際激光功率值監(jiān)測及存儲(chǔ)；

n 功率監(jiān)測歷史回放和查看；

n 激光器功率特性實(shí)時(shí)分析和評價(jià)；

n 功率失穩(wěn)超閾值時(shí)，提示和警告；

n 激光器長期工作功率衰減特性分析和預(yù)測。

4 系統(tǒng)集成

注:文章部分內(nèi)容來源于騰訊新聞。