通过预构建校准确保金属增材制造零件的质量

通过预构建校准确保金属增材制造零件的质量

2020-12-01 5

如今,在讨论金属增材制造(AM或3D打印)的质量保证时,实时监控系统和印后数据分析经常被讨论。但是,始终如一地制造高质量零件的一个经常被忽视的方面是在印刷之前就发生了:预构建校准。


就制造而言,校准可确保所测量的参数与某个商定值相关,该商定值将落入良好制造工艺的范围之内。校准是合格的零件和过程的重要组成部分,几乎可以接受金属增材制造服务的所有关键行业的认可。


对于金属增材制造,行业特定的标准仍相对不成熟,许多标准组织(ASTM,SAE,AWS,API等)正在努力开发或完善其文档。美国国家航空航天局(NASA)是最早在2017年10月发布此类准则的组织之一,其准则是LPBF的增材制造航天硬件标准(MFSC-STD-3716)和随附的LPBF控制和鉴定规范(MFSC-SPEC-3717),两者都是其他几个组织和标准机构的基础。美国国家航空航天局(NASA)对印刷零件质量充满信心(包括校准)的许多要求已经下降到新的标准。


根据MFSC-SPEC-3717,“校准只有在连续维护时才有效。出于实用原因,在预构建的基础上确认校准是不可行的。这个基于时间的校准间隔设置为生产效率和过程保证之间的折衷。” 这个非常重要的声明从本质上说,在每次制造之前都无法校准金属AM机器,这迫使制造商在生产效率和质量保证之间做出选择。


但是,尽管该标准在2017年发布时可能确实如此,但事实已经不再如此,因为预构建校准不仅可行,而且是现实。这项新功能现已在下一代金属AM系统上可用,可以帮助供应商同时最大化生产效率和过程保证,而不必强迫他们为另一个牺牲。


校准光学

金属AM系统中的光学器件包括一个或多个激光器和相关设备。它们对于执行L-PBF焊接工艺至关重要,在该工艺中,一层很薄的一层金属粉末熔化而形成一层零件。以微米为单位,每一层通常比头发的直径还薄,在任何给定的组件中都可以有成千上万的层。这就是为什么校准如此关键的原因。如果L-PBF系统中的激光器没有以正确的功率对准正确的位置并以正确的速度移动,则可能会损害所制造组件的质量。这个问题在多激光系统上更为复杂,在该系统中,各个激光器之间的校准也必须保持一致。

3d打印


图像3.如果没有预构建校准激光对准,则AM构建中的后续层会发生漂移。


MFSC-SPEC-3717指定了几个指标,包括激光聚焦和对准,必须至少每90天进行一次校准,以使增材制造工艺保持合格并将所生产的部件标记为合格。NASA没有具体说明如何校准这些指标,但承认“将有目的的标记激光打成平坦的实心板并根据指标评估标记(基于过去的性能)可以提供足够的扫描头健康状况的证据。”


尽管在行业中是标准做法,但这种校准方法不仅耗时,而且还存在很大的不一致风险。这几乎是完全手动的过程,这意味着存在许多固有的可变性来源。然而,由于过去的AM设备供应商根本无法获得更好的方法,因此它继续被使用。


例如,为了校准激光聚焦,许多机器制造商要求将阳极氧化铝板放入构建室中,并小心地将其在构建平面上设置为与要打印材料的位置相同的高度(请记住,微米!)。将线烧入板中,然后取出并进行测量,以确定哪个轨道的直径最小,从而指示激光的焦点。在激光对准的情况下,制造商传统上会再次在铝板或热敏纸上烧掉一系列线。结果有时会物理发送到第三方,后者使用光学坐标测量机(CMM)分析结果,生成校准文件,并将更新发送回供应商以供现场服务工程师进行安装。有时需要进行多次迭代,这会显着增加总校准时间。通常,此过程可能需要一天或更长的时间才能完成,而这种非生产性的时间可能会严重拖累此类昂贵设备的拥有成本。


但是,下一代AM系统现在可以进行预构建标定功能可简化和自动进行机器光学标定,因此不必脱机即可进行标定。这些新系统可以在运行3D打印过程之前测量各种指标,包括光束稳定性,激光对准和聚焦等。增材制造的最终用户无需在铝板上烧线,而只需按一个按钮就可以进行光学校准,而无需任何外部测量设备,例如功率计或光束轮廓仪。同样重要的是,这种自动化过程可以捕获大量使用手动校准方法无法获得的数据。此数据用于实时更新系统的校准表,并确保已按照规范制造给定的组件。


粉末床校准

3D打印机

图4.检测层高度的变化。下一代增材制造系统中的质量保证功能可跟踪建筑物是否显示出任何多余突起的迹象。超过警告阈值将警告用户。


除了L-PBF过程中涉及的光学元件外,校准粉末床的质量也是零件质量的关键。粉末床的厚度和均匀度都必须精确,以确保激光适当地熔化每一层。如果粉末床太厚,则该层可能无法完全熔化,从而导致熔合不足。如果太薄,金属可能会过热,甚至可能在熔池中蒸发。两种结果都可能对所得零件的机械性能产生非常不利的影响。正确的校准对于提供精确的粉末层至关重要,如果光学器件也经过正确的校准,则粉末可以产生正确的焊接金属层。


有趣的是,与90天的光学保证准则不同,NASA仅要求每180天校准一次粉末床质量。但是六个月的时间太长,以至于无法等待重新校准粉末床,因为在任何给定层上进行重涂过程可能会出错。就像汽车上的挡风玻璃刮水器在磨损时会留下条纹一样,重涂机可能会以某种方式被划痕或损坏,从而导致其残留在粉末床中。尽管这是一个至关重要的指标,但是现有系统通常没有定量方法来测量粉末床的质量和状态。取而代之的是,他们可以给粉床拍照,然后对其进行定性分析,但这并不能为供应商提供给定时间粉床本身状态的实际数据。


另一方面,下一代金属增材制造系统可以检查以确保重涂机在每次建造之前和每一次建造中都能完成工作。此功能取决于高度映射器的度量系统,该系统实质上可测量粉末床拓扑,其z轴分辨率为15微米,x和y轴分辨率为100微米。这种真正定量的测量可确保由重涂机输送的层在整个构建平面上的厚度和均匀性方面均在规格范围内。


确保关键任务制造的零件质量

校准光学,粉末床的质量,和其它参数的最明显的好处之前它们影响产品质量之前构建是识别在金属AM系统问题。从本质上讲,使用增材制造工艺创建的零部件并不便宜。实际上,它们可能非常昂贵并且需要花费大量的时间来制造。质量逃生越远,发现它们的工作流程就变得越昂贵,因此,尽早(最好在打印之前)将它们捕获非常重要。此外,如果校准只发生,每90或甚至180天,然后一个问题可能不被检测到,直到后已制造出一批零件。如果激光没有聚焦或对准,激光的功率对于给定的工作是不正确的,或者粉末放置得太厚或不均匀,则整批零件可能会朝着废料堆前进。花费数十万美元。对于当今的下一代AM系统,这是不可接受的,根本就没有必要。


第二个不太明显的好处是,在每次构建之前都会对AM系统的关键参数进行校准,以创建大量数据,这些数据可用于开发围绕各种指标的统计过程控制。通过在每次建立光学系统状态,粉末床质量和其他参数之前收集数据,可以查看系统随时间的运行情况,并通过观察在实际达到控制极限之前趋于不合规格的情况,来预测机器何时可能需要预防性维护。


最重要的是,更频繁,更详细的校准可以总体上提供更高品质的3D打印产品,并且新一代的金属添加剂机可以使该过程快速且易于使用。改进的校准解决了NASA在航空航天工业中使用L-PBF技术所面临的一个主要问题,因为该机构在MFSC-STD-3716中写道:“在关键领域中使用激光粉末床熔化部件的最大潜在风险航天应用的局限性在于无法验证单个零件的完整性。” 显然,下一代增材制造系统能够在每次构建之前进行校准的能力使业界能够解决这些问题,从而为接受金属增材制造成为各种关键任务应用的标准铺平了道路。


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