深度解讀激光增材制造中的過程監(jiān)控

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

監(jiān)控熔池

由于增材制造零件的顯微結(jié)構(gòu)屬性由材料的熱演化過程來決定，因此增材制造過程監(jiān)控的首要目標(biāo)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(shù)據(jù)量大得驚人。如今，隨著傳感器、信號處理算法以及數(shù)據(jù)存儲方法的不斷進步，我們可以著手解決這些挑戰(zhàn)——逐點收集并存檔熱力信息。OEM設(shè)備供應(yīng)商、創(chuàng)新型的小公司以及政府研究機構(gòu)都有相關(guān)的開發(fā)計劃。

他們的任務(wù)是收集能直接或間接顯示激光焦點周圍某一小區(qū)域(稱為“熔池”)溫度的信息。理想情況下，可以在約1mm2的單個區(qū)域內(nèi)進行直接的空間分辨溫度測量。此外，通過借鑒激光焊接技術(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說，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必須采集和處理高帶寬信號以及存儲海量的數(shù)據(jù)。

目前正在研發(fā)的兩種熔池傳感方法包括：對發(fā)射的光進行成像和收集發(fā)射的光。就成像而言，紅外線(IR)和可見光照相機正在開發(fā)之中，雖然其所需的幀率非常高(每秒數(shù)千幀)，幾乎所有設(shè)備都不能實現(xiàn)，但是目前最高端的紅外設(shè)備可以達到該幀率。對光發(fā)射檢測來說，采用的是光學(xué)測溫或光譜的變化。最常見的裝置包括一個光電二極管(在上游帶有或不帶紅外帶通濾波器)。兩個這樣的濾波探測器可以用來實現(xiàn)雙色測溫技術(shù)。

在許多案例中，設(shè)備供應(yīng)商正在開發(fā)結(jié)合了成像和發(fā)射傳感的復(fù)合傳感器。圖3簡要地顯示了Concept Laser公司是如何在其QMmeltpool模塊中實現(xiàn)該方案的。具有1×1mm2觀測區(qū)(高的空間分辨率)的同軸可見光相機獲取圖像的幀率高達每秒4000幀。如果需要的話，光電二極管信號甚至可以提供更高頻率的信息。為了應(yīng)對潮水般涌來的數(shù)據(jù)，每一整個分層的信息被合并在一起并存儲，而不是存儲每一層內(nèi)所有的單個點的信息。根據(jù)Bechmann所說，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”。

SLM Solutions正在開發(fā)的Melt Pool Control模塊主要是在兩個波長進行快速的單點紅外發(fā)射測量。通過分析將數(shù)據(jù)提取出來形成熱能的二維圖像。數(shù)據(jù)采集和分析是在每個點(~ 70μs)完成的，有效采樣率較高(~ 14kHz)。更重要的是，該系統(tǒng)很快就能以這種速度動態(tài)地調(diào)整激光輸出功率，根據(jù)熔池信息實現(xiàn)真正的閉環(huán)功率控制。圖5顯示的微細柵格試驗結(jié)構(gòu)可以明顯看到熔池控制帶來的影響。

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

總結(jié)與展望

在2011年年底，GE的增材制造實驗室經(jīng)理Prabhjot Singh觀察到：“增材制造的零件由數(shù)以千計的分層構(gòu)建而成，每一層的問題都有可能使得整個零件構(gòu)建失敗。我們?nèi)匀徊幻靼?，為什么不同設(shè)備生成的零件會略有不同，甚至同一臺設(shè)備在不同的一天中生成的零件也會略有不同。”

到了如今，這一評估在很大程度上仍然正確。與此同時，包括GE航空發(fā)動機公司在內(nèi)的先驅(qū)者多年來一直研究他們的增材制造設(shè)備的細微差別，表征工藝窗口和靈敏度，創(chuàng)建工藝數(shù)據(jù)庫和確認(rèn)每臺設(shè)備是否合格。他們將可能在未來12至18個月內(nèi)開始提速其生產(chǎn)，他們沒有對其生產(chǎn)設(shè)備進行過程監(jiān)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生產(chǎn)質(zhì)量優(yōu)良的零件。

如今，增材制造過程監(jiān)控所借鑒的傳感技術(shù)大多來自激光焊接等成熟工藝的經(jīng)驗。因此，它們有可能不是實時檢測增材制造過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(shè)備和粉末材料的相關(guān)技術(shù)在突飛猛進。傳感和數(shù)據(jù)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行物理上的互動模擬，并建立詳細的數(shù)據(jù)庫，包括材料性能、工藝參數(shù)和粉末特征。未來幾年，這些技術(shù)將可能幫助制造商研發(fā)出最理想的監(jiān)測器和傳感器，逐點監(jiān)測熔池或是接近熔池的點。同時，快速的創(chuàng)新會繼續(xù)進行，盡管真正強有力的過程監(jiān)控與控制可能仍然需要數(shù)年之久才能實現(xiàn)?？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。和增材制造過程監(jiān)控相關(guān)的各種技術(shù)正在你追我趕，且看誰能勝出。