Stratonics:又一件能控制金属3D打印质量的神器

除了打印速度和金属粉末的价值,金属3D打印仍有许多需要克服的障碍,其中最重要的就是打印质量必须可控且稳定。所以一直以来,科学家都在研究如何减少甚至消除粉床金属3D打印技术所带来的毛孔的问题。这涉及到许多方面,包括调整加工参数、过程中工艺监测和控制、质量反馈、数据相关性分析等等。

针对这一技术痛点,包括美国3DSIM和德国Amphyon在内的一些公司都致力于通过仿真软件来提高对工艺的预测。另一家来自美国加州的公司Stratonics则正在尝试通过硬件与软件的结合实现对打印过程的监测与控制。这种方法十分值得重视,因为他们的成果目前已经获得了许多机构和国家实验室的认可,比如著名的美国橡树岭国家实验室(ORNL)。

在融化过程中,每个激光点创建了一个微型熔池,从粉末融化到冷却成为固体结构,光斑的大小以及功率带来的热量的大小决定了这个微型熔池的大小,从而影响着零件的微晶结构。

为了融化粉末,必须有充足的激光能量被转移到材料中,以熔化中心区的粉末,从而创建完全致密的部分,但同时热量的传导超出了激光光斑周长,影响到周围的粉末。当激光后的区域温度下降,由于热传导的作用,微型熔池周围出现软化但不液化的粉粒。

为了达到对熔池热的监测,与通过相机来逐层拍摄的方法不同的是,针对于LENS技术和SLM技术,Stratonics的高分辨率热成像的感应器是基于双波长的测量感应方法,结果绝对准确,是真实有效的温度测量技术。从而可以获得材料加热熔化过程的温度变化,以及它如何传导热量和如何冷却的详细数据。这些数据的呈现方式与加工的几何形状是关联的矩阵式数据,从而操作人员可以精确的推测加工参数是如何影响到成品零件的质量的,包括对激光功率、系统扫描速度、扫描与粉末床的距离、粉末层厚度等等因素的考虑。

当然,也有的3D打印设备厂商通过高温计来实现对温度的记录,然而作为一个波长范围的结果,单色高温计可能不准确,高温计只是给到用户关于一些大面积的平均温度,这是温度的一个指标,但不一定是对绝对温度的测量。3D科学谷了解到Stratonics的传感器系统可以应用于从不锈钢到钛合金以及其他高温金属加工过程中的温度测量,并不像单色高温计那样受到限制。

ThermaViz实时控制软件

Stratonics的ThermaViz实时控制软件通过对感应器所反馈的数据信息实现对加工过程的调整与控制,当软件发现加工过程的会导致零件报废或出现质量问题的时候,反馈系统将自动调整加工参数以保证稳定的热输出。

为此Stratonics还通过宾夕法尼亚大学的Optomec LENS 3D设备做了形象的展示,通过实时热图像与标准热量参数的匹配,实现对加工过程的自动调整,从而生产出更一致的产品,并实现更好的材料结晶结构。

当然,并不意味着所有的加工都可以实现过程中自动调整,实现完全自动的调整是个长期的努力过程。Stratonics的软件提供应急的措施还包括,基于对加工工艺的了解和掌握的数据分析基础,当软件系统判断加工过程已经偏离正常范围时,还会发出警报,操作人员可以判断是否终止加工以避免材料的浪费。

目前,Stratonics的硬件和软件系统不仅仅获得了橡树岭国家实验室的认可,还通过了主要的几家金属打印设备厂商的认可,并且霍尼韦尔、波音、Aerojet以及德州大学、密西西比州立大学、宾夕法尼亚州立大学都已经开始使用Stratonics的硬件和软件系统。

来源:3D科学谷