關(guān)于粉末床激光熔化（L-PBF）3D打印工藝質(zhì)量控制技術(shù)的討論通常圍繞在高頻、原位實(shí)時(shí)監(jiān)控，以及人工智能算法的應(yīng)用等領(lǐng)域。然而，通過該技術(shù)始終如一地制造高質(zhì)量3D打印零件，還有一個(gè)容易被忽視的話題：激光校準(zhǔn)。

粉末床激光熔化3D打印設(shè)備存在光斑尺寸漂移的可能，因此需要進(jìn)行校準(zhǔn)。但常見的激光校準(zhǔn)流程較為繁瑣，通常是需要每隔3到6個(gè)月通過外部引入校準(zhǔn)技術(shù)人員，將3D打印機(jī)恢復(fù)到精確的工作狀態(tài)。這一過程不僅所需時(shí)間長(zhǎng)，較多依賴人工經(jīng)驗(yàn)，且無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)校準(zhǔn)。

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，隨著粉末床激光金屬3D打印技術(shù)的發(fā)展，激光校準(zhǔn)方式也在不斷優(yōu)化，比較明確的是，軟件將替代人工經(jīng)驗(yàn)在這一領(lǐng)域中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。本期，3D科學(xué)谷將以智能熔化金屬3D打印系統(tǒng)制造商VELO3D所采用的自動(dòng)化校準(zhǔn)技術(shù)為例，分析智能化校準(zhǔn)技術(shù)在實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量3D打印中所發(fā)揮的作用。

VELO3D 金屬3D打印技術(shù)的特點(diǎn)。來源：VELO3D

軟件正在“吞噬”一切

基于L-PBF工藝的金屬3D打印系統(tǒng)中，激光器是重要的光學(xué)器件。在這一工藝中，任何給定零件都可以有成千上萬(wàn)層，逐層進(jìn)行金屬粉末的熔化。由于激光對(duì)準(zhǔn)有漂移的可能，尤其是在需要較長(zhǎng)打印時(shí)間的情況下，零件被分為數(shù)千層逐層進(jìn)行激光熔化，能夠證明在*層有效的校準(zhǔn)，可能在打印到數(shù)千層時(shí)已經(jīng)無效。這個(gè)問題在多激光器3D打印系統(tǒng)中更為復(fù)雜，各個(gè)激光器之間的校準(zhǔn)也必須保持一致。

如果激光器沒有以正確的功率對(duì)準(zhǔn)正確的位置并以正確的速度移動(dòng)，則可能會(huì)影響3D打印零件的質(zhì)量。

在*層甚至前100層的有效校準(zhǔn)，會(huì)在第8000層以后失效。來源：VELO3D

金屬增材制造行業(yè)特定的標(biāo)準(zhǔn)還相對(duì)不成熟，許多標(biāo)準(zhǔn)組織（ASTM，SAE，AWS，API等）正在開發(fā)或完善其文檔。美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）是*早于2017年10月發(fā)布此類準(zhǔn)則的組織之一，其準(zhǔn)則是L-PBF的增材制造航天硬件標(biāo)準(zhǔn)（MFSC-STD-3716）和隨附的L-PBF工藝控制和鑒定規(guī)范（MFSC-SPEC-3717）。

根據(jù)MFSC-SPEC-3717，“校準(zhǔn)只有在連續(xù)維護(hù)時(shí)才有效，而出于現(xiàn)實(shí)原因，在每次構(gòu)建前進(jìn)行激光3D打印設(shè)備的校準(zhǔn)是不可行的。較長(zhǎng)時(shí)間的校準(zhǔn)間隔是在生產(chǎn)效率和質(zhì)量保證之間做出折衷的結(jié)果。”這一信息反映出，無法在每次構(gòu)建前進(jìn)行校準(zhǔn)，使制造商不得不在生產(chǎn)效率和質(zhì)量保證之間做出選擇。

MFSC-SPEC-3717指定了幾個(gè)指標(biāo)，包括激光聚焦和對(duì)準(zhǔn)指標(biāo)，規(guī)定必須至少每90天進(jìn)行一次校準(zhǔn)，以使增材制造過程保持合格，并將該設(shè)備所生產(chǎn)的3D打印零件標(biāo)記為合格。NASA的增材制造航天硬件標(biāo)準(zhǔn)并沒有說明如何校準(zhǔn)這些指標(biāo)，但承認(rèn)：“將有目的的標(biāo)記激光打成平坦的實(shí)心板并根據(jù)指標(biāo)評(píng)估標(biāo)記（基于過去的性能）可能會(huì)提供足夠的掃描頭健康狀況的證據(jù)。”

盡管這是進(jìn)行激光校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)做法，但這種校準(zhǔn)方法不僅耗時(shí)，而且還存在很大的不一致風(fēng)險(xiǎn)，由于幾乎是人工手動(dòng)的方式在完成這一過程，其中存在著許多固有的可變性。例如，為了校準(zhǔn)激光聚焦，許多設(shè)備制造商要求將陽(yáng)極氧化鋁板放入構(gòu)建室中，并小心地將其在構(gòu)建平面上設(shè)置為與要打印材料的位置相同的高度（單位為微米）。將線燒入板中，然后取出并進(jìn)行測(cè)量確定哪個(gè)軌道的直徑*小，從而指示激光的焦點(diǎn)。在激光對(duì)準(zhǔn)的情況下，一般需要再次在鋁板或熱敏紙上燃燒一系列的線。得到的結(jié)果有時(shí)需要發(fā)送到第三方進(jìn)行光學(xué)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM）分析，生成校準(zhǔn)文件，并發(fā)回給現(xiàn)場(chǎng)的服務(wù)工程師進(jìn)行安裝。如遇到需要多次進(jìn)行迭代的情況，將顯著增加校準(zhǔn)時(shí)間，這一過程不僅依賴人工經(jīng)驗(yàn)，而且會(huì)增加非生產(chǎn)時(shí)間，影響生產(chǎn)效率。



圖中兩個(gè)長(zhǎng)方體3D打印樣件是通過2臺(tái)激光器分為三段打印的，低端和上端部分采用同一臺(tái)激光器，而中間段是另外一臺(tái)激光器打印的。左方樣件為不采用自動(dòng)校準(zhǔn)時(shí)產(chǎn)生的結(jié)果，中間部分出現(xiàn)了非常明顯的偏移；右方樣件為使用原位自動(dòng)校準(zhǔn)功能時(shí)所得到的結(jié)果，樣件的上中下三段是一致的。來源：VELO3D

自動(dòng)化原位校準(zhǔn)

根據(jù)3D科學(xué)谷的觀察，VELO3D 通過軟件改變這一狀況，VELO3D 在其金屬3D打印系統(tǒng)中提供了預(yù)先構(gòu)建的校準(zhǔn)功能，可以簡(jiǎn)化并自動(dòng)進(jìn)行打印設(shè)備光學(xué)系統(tǒng)的原位校準(zhǔn)。VELO3D 的技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在構(gòu)建之前測(cè)量各種指標(biāo)，包括光束穩(wěn)定性、激光對(duì)準(zhǔn)和聚焦等。增材制造的*終用戶只需按一下按鈕即可運(yùn)行光學(xué)校準(zhǔn)，而無需任何外部測(cè)量設(shè)備和復(fù)雜的人工手動(dòng)校準(zhǔn)過程。

同樣重要的是，這種自動(dòng)化過程可以捕獲大量使用手動(dòng)校準(zhǔn)方法無法獲得的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)用于實(shí)時(shí)更新系統(tǒng)的校準(zhǔn)表，并確保已按照規(guī)格制造給定的組件，也可以隨著時(shí)間的推移進(jìn)行編譯，用于統(tǒng)計(jì)過程控制程序和其他質(zhì)量管理系統(tǒng)。

VELO3D 金屬3D打印機(jī)上的校準(zhǔn)儀表板。機(jī)器健康狀況得到持續(xù)監(jiān)控，以確保粉末床質(zhì)量，傳感器和光學(xué)元件均已正確校準(zhǔn)并處于*佳狀態(tài)，并且不會(huì)影響零件質(zhì)量。來源：VELO3D

精確的粉末層

除了L-PBF工藝中涉及的光學(xué)元件外，校準(zhǔn)粉末床的質(zhì)量也是影響3D打印零件質(zhì)量的關(guān)鍵因素。粉末床的厚度和均勻度都必須精確，以確保激光適當(dāng)?shù)厝刍恳粚?。如果粉末床太厚，則打印層可能無法完全熔化，從而導(dǎo)致熔合不足。如果太薄，金屬可能會(huì)過熱，甚至可能在熔池中蒸發(fā)。兩種結(jié)果都會(huì)對(duì)所得零件的機(jī)械性能產(chǎn)生非常不利的影響。正確的校準(zhǔn)對(duì)于提供精確的粉末層至關(guān)重要，如果光學(xué)器件也經(jīng)過正確的校準(zhǔn)，則粉末可以產(chǎn)生正確的焊接金屬層。

與間隔90天需要進(jìn)行光學(xué)校準(zhǔn)不同的是，NASA 的增材制造航天硬件標(biāo)準(zhǔn)要求每180天校準(zhǔn)一次粉末床質(zhì)量。然而在任何給定的粉末涂覆過程中都可能出現(xiàn)錯(cuò)誤，顯然3D打印零件質(zhì)量的控制無法依賴180天一次的粉末床校準(zhǔn)。以往，很多3D打印系統(tǒng)通常沒有定量方法來測(cè)量粉末床的質(zhì)量和狀態(tài)，而是采用對(duì)粉末床照片進(jìn)行定性分析的方式，但這一方式無法提供出給定時(shí)間粉床本身狀態(tài)的實(shí)際數(shù)據(jù)。

VELO3D 的金屬增材制造系統(tǒng)進(jìn)行檢查，確保鋪粉刮板在每次構(gòu)建之前和構(gòu)建過程中都能完成工作。此功能取決于高度映射器的度量系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上可測(cè)量粉末床拓?fù)洌鋤軸分辨率為15微米，x和y軸分辨率為100微米。這種真正定量的測(cè)量可確保由鋪粉時(shí)輸送的層在整個(gè)構(gòu)建平面上的厚度和均勻性均在規(guī)格范圍內(nèi)。

構(gòu)建進(jìn)度屏幕顯示與監(jiān)視金屬3D打印生成有關(guān)的重要統(tǒng)計(jì)信息摘要，包括進(jìn)度和預(yù)估的完成時(shí)間、生成圖像、生成ID和名稱、平均吞吐量、中斷、熱圖以及零件和生成屬性。來源：VELO3D

3D科學(xué)谷Review

VELO3D的解決方案是集成計(jì)量系統(tǒng)，可測(cè)量關(guān)鍵過程變量，然后自動(dòng)重新校準(zhǔn)機(jī)器。校準(zhǔn)程序測(cè)量機(jī)器工作范圍包括校準(zhǔn)49個(gè)點(diǎn)的精度和一致性。只需按一下按鈕，操作員就可以隨時(shí)運(yùn)行它。VELO3D的Sapphire 3D打印機(jī)還可在每次構(gòu)建之前自動(dòng)檢查耗材的級(jí)別或壽命 – 例如過濾器，篩子和粉末供應(yīng) – 并在機(jī)器監(jiān)視器上顯示相關(guān)信息。

在多激光3D打印系統(tǒng)中存在的另一個(gè)問題是不同激光頭的相鄰表面之間的縫合質(zhì)量。激光必須完美對(duì)齊，以創(chuàng)建光滑，無縫的表面。3D科學(xué)谷了解到，即使是50微米的差異也是可辨別的，并且可能不利地影響零部件的結(jié)構(gòu)完整性。

此外，隨著構(gòu)建方向沿著垂直的Z軸前進(jìn)，XY軸對(duì)準(zhǔn)可能會(huì)漂移，因此必須進(jìn)行過程跟蹤并進(jìn)行校正以確保整個(gè)構(gòu)建的對(duì)齊。如果沒有過程跟蹤，可能會(huì)在*終的零部件產(chǎn)生嚴(yán)重缺陷，從而導(dǎo)致需要返工或額外的后期處理。

VELO3D的傳感器系統(tǒng)實(shí)時(shí)解決了這個(gè)問題，通過在構(gòu)建的每一層的工件表面上大約500個(gè)點(diǎn)處的相鄰激光點(diǎn)覆蓋過程中的監(jiān)視，當(dāng)檢測(cè)到未對(duì)準(zhǔn)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)在控制系統(tǒng)中自動(dòng)調(diào)整。這是一種手段，不僅可以使單個(gè)零部件達(dá)到更高的精度和表面質(zhì)量，而且可以在多個(gè)零部件的加工中提高質(zhì)量穩(wěn)定性。

VELO3D 采用的自動(dòng)化校準(zhǔn)所帶來的明顯好處是，在產(chǎn)品質(zhì)量出現(xiàn)問題之前，識(shí)別出金屬增材制造系統(tǒng)中的問題，從而進(jìn)行糾正。從本質(zhì)上講，使用增材制造工藝創(chuàng)建的零部件通常是昂貴的，而越晚發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題，金屬增材制造的成本就越高。通過工藝仿真、質(zhì)量監(jiān)控軟件等智能化手段盡早識(shí)別并糾正影響打印質(zhì)量的因素非常重要。

除此之外，VELO3D 的技術(shù)所帶來的一個(gè)附加的好處是在每次構(gòu)建之前都會(huì)對(duì)增材制造系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，這一過程中創(chuàng)建了大量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可用于開發(fā)過程中控制軟件。通過在每次建立光學(xué)系統(tǒng)狀態(tài)，粉末床質(zhì)量和其他參數(shù)之前收集數(shù)據(jù)，可以查看系統(tǒng)隨時(shí)間推移的運(yùn)行情況，并通過觀察在實(shí)際達(dá)到控制極限之前趨于不合規(guī)格的情況，來預(yù)測(cè)機(jī)器何時(shí)可能需要進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)。

當(dāng)然，用于自動(dòng)化校準(zhǔn)的軟件對(duì)于L-PBF 3D打印工藝*重要的意義還是在于提供更高質(zhì)量的3D打印零件。NASA MFSC-STD-3716 標(biāo)準(zhǔn)中曾描述到：“在關(guān)鍵領(lǐng)域中使用粉末床激光熔化3D打印部件的*大潛在風(fēng)險(xiǎn)的局限性在于無法驗(yàn)證單個(gè)零件的完整性。” 而VELO3D 通過軟件所實(shí)現(xiàn)的在每次構(gòu)建之前進(jìn)行校準(zhǔn)的能力，則有助于解決這些問題，為其金屬3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)更廣泛的生產(chǎn)級(jí)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。