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，針對激光粉末床熔融工藝的兩個關(guān)鍵點進行監(jiān)控。

粉末床監(jiān)控模塊可以實現(xiàn)鋪粉狀態(tài)的在線識別，打印精度的實時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時監(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)。接下來，我們將逐一進行介紹，并對典型應(yīng)用場景進行展示。

鋪粉監(jiān)控模塊

簡介：鋪粉監(jiān)控模塊主要用于監(jiān)測激光粉末床熔融制造過程鋪粉和打印后狀態(tài)監(jiān)測；識別鋪粉和打印過程中的異?，F(xiàn)象，進行缺陷智能化分析，實時閉環(huán)控制，保證鋪粉和成型質(zhì)量，提高打印過程的可控性。粉床加工過程

過程監(jiān)測：基于圖像處理和機器學(xué)習(xí)算法，實時對鋪粉和打印過程的缺陷進行標記和分類，包括刮刀抖動、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：針對異常情況實時反饋，如再鋪粉、停機、工藝參數(shù)調(diào)整等，確保打印過程中鋪粉均勻性和穩(wěn)定性，提高打印質(zhì)量。

統(tǒng)計分析：全過程的歷時數(shù)據(jù)可便捷查看和追溯，可進行三維模型重構(gòu)，并對不同切片特征進行觀察和缺陷統(tǒng)計，出具零件質(zhì)量分析報告。

用戶參與：可實現(xiàn)實體區(qū)域自定義、每層區(qū)域自定義、各類缺陷閾值自定義、原始數(shù)據(jù)提供，同時支持用戶個性化定制。

熔池在線監(jiān)控模塊

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

過程監(jiān)測：基于信號和圖像處理算法，獲得高質(zhì)量的熔池輻射強度、熔池形貌等信息；實時解析獲取激光掃描X/Y位置；實時監(jiān)測激光開關(guān)、激光功率等。實時對打印層缺陷進行標記和分類，包括溫度過高，熔池失穩(wěn)、飛濺過大等典型缺陷。

閉環(huán)控制：由于熔池特征較為復(fù)雜，影響因素較多，整個過程有著非常高的動態(tài)特性，開發(fā)自動修正反饋回路，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)計分析：精細化分析歷史數(shù)據(jù)，全過程數(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，及零件3D模型分析報告。

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

三維可視化及缺陷重構(gòu)代替CT檢測

基于監(jiān)測數(shù)據(jù)生成三維模型，結(jié)合圖像處理算法和機器學(xué)習(xí)算法實現(xiàn)缺陷重構(gòu)，對缺陷位置、類型和形貌進行標記和分類，代替昂貴的CT檢測結(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。

缺陷識別與反饋

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

鋪粉狀態(tài)以及打印過程中的在線監(jiān)測不僅有利于深入理解粉末床激光熔融的物理冶金過程，同時可作為保證零件質(zhì)量的重要手段。西空智造推出的增材制造過程監(jiān)控系統(tǒng)，無疑將推動國產(chǎn)金屬增材制造技術(shù)的發(fā)展進程，同時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日開幕的第四屆絲博會上引起關(guān)注。當時該設(shè)備為西安空天能源動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)動機及燃氣輪機”（簡稱：“兩機”）國家重大科技專項研究中取得技術(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，國內(nèi)外掀起了3D打印增材制造技術(shù)發(fā)展熱潮，已被運用到多種行業(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。只有在成形過程中實施熔池在線監(jiān)控，實時有效的獲取工藝過程大數(shù)據(jù)，才能實現(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)快速存儲和實時分析、監(jiān)測數(shù)據(jù)重構(gòu)與制造質(zhì)量關(guān)聯(lián)等。

據(jù)介紹，這個看似不起眼的“藍盒子”，卻能解決大問題，它是一種在粉末床激光熔融和激光熔覆加工過程中將熔池信息可視化的檢測工具。該設(shè)備由西安空天能源動力智能制造研究院有限公司聯(lián)合等離子體動力學(xué)國家級重點實驗室研發(fā)，由西安空天機電智能制造公司進行不斷升級優(yōu)化，并在2020年上海tct展上獲得一致好評。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，可實時、快速、可靠地監(jiān)測熔池輻射強度變化并分析熔池形貌信息，同時獲取熔池對流特性和溫度梯度信息，并通過熔池監(jiān)測對成形缺陷智能識別。

相關(guān)負責(zé)人表示：“目前，這款產(chǎn)品已經(jīng)在襄陽航泰、北京易加三維等單位進行試用，在鈦合金整體葉盤增材制造與修復(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