提到3D打印，我們很容易興奮的（de）一點就是定製化，但大多數時候（hòu），定製化並不是3D打印最吸引人的地方（fāng），反而（ér）是3D打印製造複雜產品的能力。在航空航天行業，對於複雜產（chǎn）品的需求通常來源（yuán）於輕量化的要求，而在生命科學領域，複雜的表麵也促使植入物與人體活性細胞之間更好的相容性（xìng）。

 

然而，複雜產品也帶來了新的問題：質量控製與檢測。很多情況下（xià），除非通過高度可靠的無損探傷檢測技術，否則這些3D打印（yìn）出來（lái）的零件是禁止進入到應用領域（yù）的。

 

圖片來源（yuán）：3TRPD

 

零件的幾何複雜性使得僅僅通過目前的超聲波回波檢（jiǎn）測技（jì）術難以判（pàn）斷是否完全合格沒問題，而渦流探頭往往（wǎng）不能接觸到零件表麵的每（měi）一部分。當然，最好的質量（liàng）控製不是事後檢測，而是過程中控製。根據3D科（kē）學穀的市場研究，對於目前的過程中控製來說，主要由幾大派係，照（zhào）相技術和熱成像技術是目前相對應用最多的技術。

 

層層控製

硬件與軟件技術的結合

 

照相技術

這是目前（qián）最成熟的過程，並且被（bèi）金屬打印設備（bèi）廠商例如EOS的EOSTATE和第三方質量（liàng）控製服務商Sigma Labs所應用。

 

就拿Sigma Labs的質量控製（zhì）過程來說，在構建（jiàn）過程中，產品按照垂直方向從底部到頂部被打印出（chū）來（Z方向）。每完成一個打印過程，Sigma Labs的PrintRite3D® CONTOUR™係統都會拍照（zhào）。當整個產品被打印完成時，該係統將拍攝與建模過程對應的（de）每一層的數字圖（tú）像。通過係統記錄的每一層的圖片，計算機將圖片與設計模型的切片相對比。

 

另（lìng）外，Sigma Labs的PrintRite3D ® INSPECT™軟件（jiàn）利用高溫計和（hé）光電二極管檢測熔池溫（wēn）度，記錄（lù）了其中三個過程（chéng）變量：1）金屬（shǔ）粉末融化（huà）時溫度的“增加率”；2）熔池停留（liú）在最高溫度多“長”時間；3）熔池冷卻的“速率”。通過捕獲這三個變量，該係統產（chǎn）生熔池的“電子簽名數據”，從而在每一層的X,Y,Z三（sān）維方向上記錄了零件（jiàn）的微觀結構。

 

在加工中的質量（liàng）管理方麵，通過PrintRite3D ® INSPECT ™軟件，基於大（dà）量的生產大數據所形（xíng）成的加工參數與產品性能之間的相關性，獲（huò）取符合（hé）生產要求的零件所對應的加工參數作為（wéi）“基（jī）準數據”。除非與（yǔ）零件的機械和冶金特性數據具有相關性，否則該加工參數的值幾乎沒有任何意義（yì）。這意味著首先必須產生大量的測試樣本來生成這個屬性數據，並將屬性數據關聯到加工參（cān）數的“電子簽（qiān）名數據”。從而（ér）在新（xīn）的加工過程中將每一（yī）層的“電子簽（qiān）名數（shù）據”與“基準數（shù）據”相對比。

 

在過（guò）程質量控製中（zhōng）挑戰的（de）是正確的收集數據的技術和分析能力。相關分析與回歸分析都是研究變量（liàng）相互關係的分析方法，而相關性分析是指（zhǐ）對兩個或多個（gè）具備相關性的變量元素進行分析，從而衡量兩個變（biàn）量因素的相關密切程度。相關性的元素之間需要存在一定的聯係或者（zhě）概率才可以進行相關性分析（xī）。相關分（fèn）析是回歸分析的基礎，而（ér）回（huí）歸分析則是（shì）認識變（biàn）量之間相關程度的具（jù）體形式。

 

PrintRite3D ® INSPECT ™將超出變量回歸範（fàn）圍的加工定義為可疑的(Suspect),而在回歸範圍內的定義為可接收的(Accept)。為（wéi）研（yán）究（jiū）粉末床增材製造技術在製造過程中的（de）質量（liàng）控製和追溯提供（gòng）了科學的方法。

 

就在2016年12月，Sigma Labs還與霍尼韋（wéi）爾新簽40萬美元的合同，旨在加強鋪粉技術的（de）3D打印過程質量控製。

 

另外，關於機器視覺和數字圖像處（chù）理技術，針對這（zhè）一（yī）領域（yù）的巨（jù）大投資正在使得包括增材製造行業受益，而且免去了專門為此研發的成本。視覺係統的更大的優勢是知道哪些視覺線索，這些複雜（zá）的數據，可以（yǐ）被嵌入在增材（cái）製造質量控製軟件中（zhōng）。

 

熱成像技術

在融化過（guò）程（chéng）中，每個激光點創建了一個微型熔池，從（cóng）粉末（mò）融化到冷卻成為固體（tǐ）結構，光斑的大小以及功率帶來的（de）熱（rè）量的大小決定了這個（gè）微型熔池（chí）的大（dà）小（xiǎo），從而影響著零件的微晶結構。

 

為了融化（huà）粉末，必須有充足的激光能量被轉移到材料中，以熔化中心區的粉末，從而創建完全致密的部分，但同時熱量的傳導超出了激（jī）光光斑周長，影響到周（zhōu）圍的粉末。當激光後的（de）區域溫度下降，由於熱傳導的作用，微型熔（róng）池周圍出現軟化但不液化的粉粒。通過（guò）熱（rè）成像技術達到過程中質量控製的目（mù）的，在這一領域的代表性企（qǐ）業是Stratonics。

 

為了（le）達到對熔池（chí）熱的監測，與通（tōng）過相機來逐層拍攝的方法不同的是，針對於LENS技術和SLM技術，Stratonics的高分辨率熱成像的感應器是基於雙波長的（de）測量感應方（fāng）法，結（jié）果準確，是真實有效的溫度測量（liàng）技術。從而可以（yǐ）獲得材料加熱（rè）熔化過程的溫度變化，以及它如何傳導熱量和如何冷卻的（de）詳細數據。這些（xiē）數據的呈現方式與加工的幾何（hé）形狀是（shì）關聯的矩陣式數據，從（cóng）而操作（zuò）人員可以精確的推測加工參數是如何影響到成（chéng）品零件的質（zhì）量的，包括對激光功率、係統掃描速度、掃描與粉末床（chuáng）的距離、粉末層厚度等等（děng）因素的考（kǎo）慮。

 

當然，也（yě）有（yǒu）的（de）3D打印設備廠商（shāng）通（tōng）過高（gāo）溫計來實現對溫度的記錄，然而作為一個波（bō）長範圍的結果（guǒ），單色高溫計可能（néng）不準確，高溫計隻是給到用戶關於（yú）一些大麵積的平均溫度，這是溫度的一個指標，但不一定是對絕（jué）對溫度的測量（liàng）。3D科（kē）學穀了解到Stratonics的傳感器係統可以應用於從不鏽鋼到鈦合金以及其他高溫金屬加工過程中的溫度測量，並不像單色高溫計那樣受到限製。

 

Stratonics的ThermaViz實時控製軟件（jiàn）通過對感應器（qì）所反饋（kuì）的數據信息實現對加工過程的調整與控製，當軟件發現加工過程的會導致零件報廢（fèi）或（huò）出現質量（liàng）問題的時候，反饋係統將自動（dòng）調整加工參數以保證穩定的熱輸（shū）出。通過實時熱圖像與標準熱量參數的匹配，實現對加工過程的（de）自動調整，從而生產出更一致的產品，並實現更好的材（cái）料結晶結構。

 

其他過程質量控製手段還包括熔池光譜學和超聲波技術，這些技術處於（yú）快速開（kāi）發階段，3D科學穀將保持密（mì）切關（guān）注。