激光增材制造中的过程监控的设备及如何保证质量

激光增材制造中的过程监控的设备及如何保证质量

激光增材制造(LAM)设备有两种类型：粉末床和送粉式。近期业内较多的关注集中在后者身上，本文讨论的也主要是后者。

图1显示了通用的粉末床系统的原理示意图，在该系统的整个工作区中使用刮板来进行平整粉末的步骤，以在构建平台上建立粉末床，整个过程是在可

以控制内部环境的成形保护室内进行。激光能量传递到粉末床的表面，引起粉末的局部熔化和融合，使得该区域的金属粉末固化。

通常情况下，每一道激光扫描能熔化并重新凝固数层粉末，粉末层的厚度通常为20至150μm。在每一次激光照射后将额外的粉末从工作区刮掉，然后重复上述过程，直到构建出一个坚固的三维(3D)零件。每一个“构建”过程包含数以千计的分层，因此每次运行需要花费几十到几百个小时。每一次“构建”可以生成数十个相同或不同的零件。

由于在金属增材制造过程中是一层接着一层熔化并且快速凝固，所以零件经历了涉及定向热传递的复杂的热演化历程。一些主要用于航空航天和医疗/牙科应用的合金零件甚至可能会遇到反复的固态相变。这些因素使得对成品显微结构属性的分析，相对那些使用传统方式制造的零件而言，变得更为复杂。频繁的定向热量提取会导致晶粒结构在Z轴方向(垂直于构建平台)呈柱状，并且“在增材制造中，各处的显微结构和力学性能通常呈各向异性，而Z轴方向一般是最弱的”。激光选区熔化(SLM)工艺的典型缺陷包括显微疏松以及相邻层之间融合不好。航天应用特别关注的是靠近零件表面的孔隙引发的疲劳裂纹，同时表面光洁度也会对疲劳寿命造成影响。

综合上述问题一起考虑，特别是那些对结构起到关键作用的零件，广泛应用增材制造技术所要面临的重大挑战是成品的合格性以及如何检定其合格性。最近，关于增材制造的一些报道都在呼吁借助在线、闭环的过程控制和传感器来确保增材制造的质量、一致性和再现性。总体的目标是在空间分辨率低于1mm2的情况下实现稳定的分层质量评估，这将免除通常在构建后进行的检测或破坏性测试。领先的航空航天制造商也非常支持在线监测：GE