电子束粉末床增材制造成形过程的实时可视监控方法

电子束粉末床增材制造成形过程的实时可视监控方法综述电子束粉末床增材制造成形过程的实时可视监控方法综述 1 1 增材制造 增材制造 AMAM 简介 简介 增材制造是材料成形沉积工艺 其逐步地将材料添加到基质上 进料的材 料可以是固体 液体或两者的混合物 当进料到达基底后与基底熔合在一起 激光增材制造是一种自由形式的制造技术 其将粉末式的材料沉积到由激光源 产生的熔池中 尽管在制造方面提供了很大的灵活性 但由增材制造加工出的 样品的机械性能比锻造样品的要低 这种性能上的差异归因于缺陷和其分级的 微结构成形 因此消除缺陷是很重要的 这些缺陷中的大多数是层间缺乏熔合 和工艺导致的孔隙 这两个缺陷都与熔池和轨道几何形状密切相关 因此 能 将轨道几何形状写成工艺参数的函数进而对其进行预测是很重要的 熔池和轨 道几何形状与粉末流动特性密切相关 因为其决定了加工的效率 2 2 激光增材制造的粉末输送方式激光增材制造的粉末输送方式 用于激光增材制造的粉末输送可以通过使用同轴喷嘴 MDF 的 DM3D POM 机 器 或离轴工艺 例如 LENS 工艺中存在的工艺 来实现 离轴系统的主要优点是它可以减少粉末熔化和对喷嘴的粘附 但却有 山 上覆层 现象发生 这种沉积技术 当从基板移动的一侧施加粉末时 粉末从 侧面 即 轴外 沉积 导致 抗山状况 包覆 与激光束同轴地传送粉末可 以解决这个问题 因为在垂直于激光束的平面中的基底运动的所有方向都是等 效的 在该方法中使用但未被覆盖在喷嘴装置中的其它处理气体是覆盖气体 其用于将粉末从料斗推入递送系统 在粉末颗粒离开喷嘴之后 它们通过重力 的作用和用于推动粉末的气体的动量被吸引到熔池中 因此 已经报道了工艺 气体在粉末锥体的形状和粉末速度中起主要作用并不奇怪 最广泛研究的工艺 气体是载气和成形气体 据研究 较高的载气速度会增加粉末的运动速度并产 生更平滑的构造 然而 粉末流中的变化对构建质量的影响尚未很好地被理解 粉末流的形 状 由工艺气体流速和速度控制 和熔池的尺寸 由能量密度控制 是确定效 率和沉积质量的两个重要参数 因此 旨在理解过程性质的任何研究都需要考 虑上述所有工艺参数的综合作用并且作为工艺参数的函数系统地评价沉积物的 质量 据报道 在与基底碰撞的点处粉末流的直径越小 粉末收集效率越大 3 3 AMAM 缺陷的来源缺陷的来源 如前所述 在所有 AM 部件中发生的主要缺陷是孔隙和熔合不充分 缺乏熔 合主要是因为之前的一层没有熔化 这种不完全熔化是激光功率不足所导致的 而孔隙的形成关系着零件表面的粗糙度 在相邻轨道彼此没有相互润湿的情况 下 构件的表面粗糙度会增加 在随后的沉积阶段 液态金属不能填充满所形 成的空腔中 从而形成残留孔隙 其余的空隙可能是由气体被困入金属造成的 而人们关心的金属增材制造过程中的大多数缺陷的尺寸范围在 10 100 m 4 4 AMAM 技术的发展瓶颈 急需解决的问题 技术的发展瓶颈 急需解决的问题 用增材制造 AM 加工的零件缺乏质量保证是阻止制造商使用 AM 技术的关 键技术障碍 特别是在那些不允许部件出现故障的高价值应用中 由于 AM 工艺 和材料的发展 以及对底层设计理念的深入理解 增材制造 AM 技术近年来 迅速成熟 这些发展的结果就是 在许多制造部门的工业家已经开始进行 AM 的 商业开发 虽然现在的 AM 机床同早期的版本相比已有了很大的提升 但研究者发现的 一些问题 孔隙率 开裂 热管理问题 材料供应问题 仍然存在 这主要归 因于缺乏用于管理机器操作的过程监控和闭环控制算法 大型制造商使用故障模式和效应分析 FMEA 工具来确保制造空间内的各 个方面都受到控制 为了更好的对过程进行了解 必须要进过程数据的捕捉和 分析 传统机床的加工过程和状况检测取决于力 位移和声学感测 在这里收 集的数据通常被实时处理成影响加工策略中的 即时 响应 为了在 AM 系统中 实现相同的功能 需要新的传感器系列 或重新利用现有的传感器技术 和将 这些传感器集成在一个附加工具上的手段 一些研究人员已经认识到 AM 制造增加的设计复杂性需要对零件内部几何形 状进行无损探伤 在层与层间边界会普遍存在由于缺乏融合而生成的孔隙 为 了实现闭环控制和材料不连续性的检测 原位数据采集被认为是实施的主要障 碍 表 2 所示为目前从 AM 机器制造商处获得的现场监测和闭环反馈模块的总览 5 5 粉末床熔合 粉末床熔合 PBFPBF 1 激光粉末床熔合 PBF 粉末床熔合 PBF 包括利用激光或电子束能量源熔合两种工艺 这两种技 术在操作上本质是相似的 重复的在搭建的平台上撒下一层粉末然后用熔融并 于前一层熔合 在平台下降之前一直重复这个过程 不同的能量源需要不同的 气体环境 对于激光系统 需要惰性气体 通常是氮气或氩气 在惰性气体环 境内根据 CAD 模型用激光束选择性的烧结从而加工出零件 随后 基材板会降 低一层的厚度 在上面再堆积金属粉末 然后这一层的粉末又被选择性的烧结 然后与之前的一层融合在一起 每一层的扫描方向都交替进行 以便于防止某 一层的缺陷扩大在选择性激光烧结加工过程中 会产生各种各样的缺陷 比如 粉末供应不充分 像不完全熔化 空洞等内部缺陷 甚至发生局部变形 为防 止这些缺陷发生而建立的闭环工艺控制模型要做的第一步就是开发一个工艺检 测系统 这个系统要能够观察熔池并分辨出时间和空间的动态变化 从而在缺 陷发生时就可以检测出来 2 电子束能量源熔合 由于电子的平均自由程非常短 电子束工艺需要接近真空的环境 它另外 的好处是没有氧气引起氧化 在熔化期间 引入约 10 10 2毫巴的氦气分压 并引导到构造区域 以便增强热传递和冷却部件 而过度熔化会导致熔池内的 湍流增加和过度蒸发 导致在块状材料内形成气孔 Tammas Williams et al 通过电子束 PBF 和使用的 X 射线计算断层图像技术 XCT 建立了 TI6Al4V 结 构 以显示空隙的形成 并使其和使用的处理参数直接对应 类似地 Antonysamy 等人 研究了用电子束 PBF 产生的 Ti6Al4V 部件的晶粒结构和织构 形成 并且得出结论 与材料相比 表面扫描 作为扫描策略的一部分 产生 明显不同的晶粒结构 这也会导致上述类型材料的不连续的形成 表 3 所示为 上面讨论的材料不连续性的总结 就目前技术而言 一般采用摄像机或光电晶体管在线检测熔池的形貌 但 是 使用这些设备的难点问题是激光熔覆过程中熔池图像容易受到粉末流 等 离子体等的污染 6 6 粉末床熔合的无损伤原位监测方法粉末床熔合的无损伤原位监测方法 1 1 使用使用 IR IR 红外红外 相机的非接触式热测量方法相机的非接触式热测量方法 已经探索了许多用于激光 PBF 和电子束 PBF 的无损伤原位监测方法 常见 的是热成像和视觉监测方法 但一些更新的测试技术也在研究中 使用红外 IR 相机提供了替代的非接触式热测量 具有更大的捕获速率 和更高的精度 Krauss 等人已经使用 IR 相机探讨在激光 PBF 处理过程中由于 散热不足引起的孔隙和其他不规则性的检测 这些通过观察 EOSINT M270 粉末 床的温度分布来进行 使用 IR 照相机在长波红外 LWIR 波长带和 50Hz 采样 频率来处理 Inconel 718 将未冷却的微测辐射热计检测器 Infratec Variocam hr 头安装在与构建平台成 45 角的位置 放在机器窗口的锗屏蔽玻璃之外 如 图 4 a 所示 这种布置允许视场范围为 160mm 120mm 大约占整个搭建平台 的 30 由于可达性限制 检查设备不能设置在建造室内 该研究旨在确定在 构建过程中由工艺参数变化或随机过程误差引起的偏差 以及零件内部空腔和 人为瑕疵的检测 结论是 只要在大于 20ms 的时间尺度处发生偏差 就可以通 过将不同的测量值与预定的参考值进行比较来检测它们 可以检测到低至 100 m 的材料不连续性 具有人工缺陷的样品中的热影响区的示例热分析图如 图 4 b 所示 这种外部安装的固定摄像机方法虽然不需要对构建区域进行额 外的照明但却不允许在整个构建区域上进行检查 安装屏蔽玻璃以保护照相机 在激光加工期间免受光学损伤 并且设备从外部安装 消除了对光学器件清洁 的顾虑 值得注意的是 如果在 AM 机器中集成 IR 系统 就需要保护相机免受 产生的大量灰尘或烟雾 这些会污染 IR 设备并使其不精确 2 2 高速摄像机监测高速摄像机监测 高速摄像机已经用于熔池监测 但是它们也可以用于检测粉末床水平上的 误差和材料的不连续性 可以监测粉末床上由于零件件的卷曲而造成的不平 因为材料凸起的区域会损坏或磨损涂覆刀片 从而中断粉末层的随后分布 如 图 5 a 所示 相机与粉末床偏转一个角度安装 并使用简单的校准算法消除 透视失真 需要多个光源来提供平行于重涂器并垂直于构建平台的照明 在加 工之前可以检测功率分布的不足 从而在任何材料产生不连续之前校正粉末供 应 图 5 b 示出了由损坏的修复刀片在粉末床中引起的缺陷的示例图像 3 3 CCDCCD 照相机系统照相机系统 如图 6 所示 SVCam hr29050 SVS VISTEK 单色 CCD 照相机系统通过观察 窗聚焦 并运行 Hartblei Macro 4 120 TS 超级旋转器以减少构建平面的透视 失真 获得 130mm 114mm 的视野 覆盖用于本研究的小构造平台 增加视场以 监视整个 250mm 250mm 构建平台会导致空间分辨率的降低 在 500mm 处获得在白色背景上相隔 40 m 的两条 40 m 黑色线的分辨率 使用在机器背面上的哑光反射器和涂覆器叶片的漫射照明来避免相机 CCD 传感 器的饱和 对于每一层 获取两个图像 一个在粉末沉积之后 另一个在熔融之 后 在图像中可以观察到粉末床中的空隙 粉末降解 通过比较 以及发生无 支撑结构卷曲的区域 这些升高的区域可以被识别出来 如图 7 a 详细图 像如图 7 b 随后 开发了处理软件以识别粉末床的凸出区域 为了加快识 别过程和减少计算负荷 输入 CAD 模型来创建用于分析零件周围的区域 3 3 SLM SLM 选择性激光烧结选择性激光烧结 缺陷监测系统缺陷监测系统 使用的检测器可以分为两种 空间积分 如光电二极管 空间分辨 CCD 相机和 CMOS 相机 但是这些方法提供的关于材料表面的结构信息非常有限 因此要求图像传感器与相互作用区域与其邻近区域的照明结合起来 从而来捕 获表面结构和熔池的形状 激光材料加工的同轴控制系统的例子有 激光钎焊 复合激光电弧焊接 激光焊接和切割 在激光钎焊过程中 焊条的位置和方向等工艺参数或者液相 的尺寸可以通过分析 CMOS 相机拍摄的图像得到 此外 还可以对焊缝的凝固表 面进行评估 对于复合激光电弧焊接 可以确定出熔池和固 液相之间的边界 在焊缝缺陷刚发生时就可以被观测出来 激光焊接和切割加工过程中 激光加 工探头与被加工件之间的相对移动和熔池的几何尺寸可以通过安装的过程检测 系统获得 Kruth 等人提出了一个可以检测 SLM 过程来调节激光的功率 改进了结构 凸出的问题 加工图象记录仪与两个传感器 CMOS 相机和光电二极管 同轴布 置 通过 CMOS 相机得到的熔池尺寸关系与光电二极管的信号相结合 系统可以 根据不同区域的导热性 如凸出结构 来调整激光的输出功率 为了在高速扫描下得到高质量的处理图片 额外的照明设备是必须的 此 外 由固定相机可拍摄的图片区域是有限的 因此将加工检测系统设计成同轴 组装结构 扫描时工艺检测系统的基本结构如图 2 所示 加工激光束通过分色 镜反射到扫描设备上 扫描设备根据从 CAD 模型获得的几何数据将激光束偏转 最后 激光束通过 f 镜片聚焦到加工区域 加工区域通过照明激光束照明 照明激光束通过电子束分束器偏转 并且通过分色镜传播 通过加工激光束可 以实现定位和聚焦 加工区域的图像信息通过 f 镜片 扫描头 分色镜分光 板在整个系统中传输 装配必须设计成可以避免图像不清晰并且确保图像信息 可以被高速相机捕捉到 总而言之 用于激光 PBF 的原位监测系统的开发工作集中于使用在线相机 对熔池进行监测 结合光电二极管和一些闭环控制熔体池温度 不太复杂的离 线系统不需要机器集成 课进一步用于研究熔池行为 目前 测微技术很流行 但是有限的视野和数据捕获速率限制了闭环系统的发展 IR 系统已经显示出对 激光 PBF 处理的原位检测的良好潜力 已经进行熔融池监测以及诸如 人造 孔的材料不连续性的检测 但是尚未被集成到机器中 是一个独立的系统 尽 管分析任务在很大程度上是手动活动 并且仍然要实现闭环反馈 使用高速照 相机对更宽的粉末床进行成像已经使得粉末床中由于重涂器的损坏和过度加工 导致部分卷曲的区域出现缺陷 7 7 原位工艺检测面临的难点及一些改进方案原位工艺检测面临的难点及一些改进方案 1 1 原位工艺检测面临的难点原位工艺检测面临的难点 虽然激光和电子束 PBF 工艺遵循大致相同的工艺步骤 但是不同的设备和 工艺条件为原位工艺检测提出了许多挑战 例如 1 用于在电子束 PBF 处理期间偏转电子束的电子磁性线圈禁止同轴布 置 2 并且来自熔池的金属的蒸发和冷凝会导致机器观察窗的金属化 3 加工在真空中进行 限制了检查设备集成于机器内部 4 由于电子束能量源的快速 瞬态性质 基于测温的方法被认为是不 适合的 2 2 现有的一些改进方案现有的一些改进方案 Schwerdtfeger 等人配备了 Arcam A2 电子束 PBF 系统和 FLIR Systems A320 红外摄像机 处理分辨率为 320 240 像素 将相机与电子束枪一起以与 粉末床成 15 的角度放置 用硒化锌 ZnSe 窗口屏蔽以保护设备免于金属化 在熔化之后及在下面的粉末层被扫过之前快速拍照 将该图像与研磨样品的光 学图像进行比较 IR 图像的分辨率是有限的 但是与发现的空隙相关 表明较 高热辐射的区域对应于材料缺陷 通过随后的锐化和改变图像的对比度来提高 图像质量 尽管自动化过程需要通过实施闭环系统从检测到修复来进行 这种视 觉成像设置可以了解随着构建的进行缺陷将如何在层与层之间传递 Rodriguez 等人将 IR 相机结合到 Arcam 电子束 PBF 机中 如图 8 a 所示 以便分析每 个构层的表面温度分布 此外 此信息用于修改之后图层的构建设置 选择 FLIR Systems SC645 高分辨率 640 480 像素 红外摄像机集成到 Arcam A2 中 其测量温度范围可以达到 2000 安装红外摄像机需要进行大量的机器改 装 包括用 ZnSe 玻璃代替以前的摄像机 安装保护挡板 保护 ZnSe 窗口 以 及安装气动致动器以激活挡板 可以用手动分析图像 测量从表面发射的辐射 来自物体的辐射 来自环境源的反射辐射和来自大气的辐射 并将其转换为相 对温度读数 在加工期间由 过度熔化 引起的材料不连续性可以从所产生的 IR 图像中识别出来 如图 8 b 所示 8 8 其他的方法其他的方法 1 中子射线照相使由 LiF ZnS 闪烁体产生 将中子转换成光 然后可以 由 CCD 相机检测 2 LU 激光超声波 使用激光来产生和检测超声波 并且可以用于检测 材料不连续性 用于材料表征和确定材料厚度 脉冲激光用于产生超 声波 并且当波到达检测点时 用连续波激光干涉仪检测小表面位移 LU 是非接触式的 可用于弯曲或难以接近的区域 使其适用于 AM 3 超声波测试可以有效地检测材料的缺陷 厚度 粒度 密度 孔隙率和 机械性能 但是由于接触超声波不能在 500K 以上工作 其使用仅限于 超声波固结 UC 的原位检查 而且测量系统对表面光洁度和颗粒噪 声高度敏感 4 X 射线反向散射技术 XBT 适用于检查 AM 部件 因为它不易受表面粗 糙度的影响 由于 X 射线源和检测器位于物体的同一侧 因此可以容 易地对大结构进行测试 实时成像允许递归扫描 采用 XBT 的突出挑 战包括制定标准和程序 高扫描速度所需的大型设备以及定制 X 射线 源的有限可用性 5 非直接的无损探伤方法 热分析和光学分析 没有原位和在线测量 用 于选择性激光烧结 不能直接获得缺陷的尺寸和特征 可以基于对熔 池的监测情况进行分析推断缺陷的信息 在镍基合金的零件制造中 使用温度记录 由红外摄像机检测得到 用通过检测冷却速率而获取 的小于 100 m 的缺陷来对零件构造进行分析 6 直接检测技术研究零件原位的物理现象 选择性激光烧结制造中 在 搭建平台的下方安装一个超声波传感器来对零件的构造进行探测 这 种检测方法提供的缺陷的尺寸和位置信息很有限 只提供在加工过程 中所检测出的缺陷所在的层数 关于选择性激光烧结的光学断层成像 检测技术 OCT 的研究表明用表面和表面下的信息来实现工艺检测是 可行的 波长低至 9 m 的表面缺陷和粗糙度都可以被分辨出来 烧结 材料表面之下低至 200 m 处的材料松动也可以被检测到 尺寸大于 100 m 的表面缺陷可以被检测到 7 非直接非原位零件检测技术 X 射线计算机断层技术 XCT 用 XCT 技 术对电子束粉末融床样品的分析表明 其可以检测出 120 m 以上的缺 陷 8 8 AMAM 质量控制未来发展方向质量控制未来发展方向 主要突破点主要突破点 1 基于视觉和热计量解决方案在某种程度上解决了 AM 的质量控制问题 但是具体需要的是在相对大的区域 高达几平方厘米 上将 3D 结构以较高的空 间分辨率表征出来的能力 2 AM 测量任务越来越受物体面的光学基本原理限制 例如 空间分辨 率和视场之间的平衡 由于运动模糊导致的有效空间分辨率的损失 整个检查 区域的光学性质的动态范围 这些限制意味着整个表面的更快的 强力 测量 对数据管理和分析提出了巨大挑战 3 AM 计量挑战的一个潜在解决方案是使用混合仪器 用相对低分辨率 的传感器 例如 基于相机的传感器 检测需要的区域 然后使用局部化的高 分辨率传感器来 感应 这片区域 在一些情况下 低分辨率传感器可以使用 检测从感兴趣点 如划痕 的散射光的方法 因此允许高分辨率检测而不需要 成像 最后 需要开发用于处理当在相对大的区域上测量到高分辨率图像时将 产生的潜在非常大的数据集的方法 4 为了减小材料的不连续性而采用的对材料参数的实时识别和闭环控制 受限于差的空间分辨率 观察区域的有限性 高时间负荷 5 要处理的数据太过于庞大 电子束选区熔化成形技术缺陷 基于 SEBM 成形原理 如果成形工艺控制不 当 成形过程中容易出现 吹粉 和 球化 等现象 并且成形零件会存在分 层 变形 开裂 气孔和熔合不良等缺陷 1 Ralph B Dinwiddie Ryan R Dehoff Peter D Lloyd Larry E Lowe and Joe B Ulrich Thermographic In Situ Process Monitoring of the Electron Beam Melting Technology used in Additive Manufacturing 1 橡树岭国家实验室用 ARCAM 电子束熔化技术 采用增材制造的方式直接 由金属粉末加工具有复杂几何结构的零件 尽管已经证实这项技术可以 减少花费 减少加工间隔时间 能够加工出采用传统加工技术不能加工 出来的有复杂几何结构的零件 要保证零件的质量却有很大的挑战 由 于加工过程是材料一层一层依次沉积而成 可以在不损坏零件的前提下 对每一层进行检测 由熔池里的金属蒸发和凝结而在零件内表面形成敷 金属给现场过程监控带来了很大的困难 本研究提出了一个解决在电子 束融化制造过程中对加工室内的情况连续成像的办法 这里使用了一个 不断移动的聚酯亚胺薄膜胶卷盒 结果与现场过程监控技术及其对机械 性能和加工可靠性的提高有关 2 本文描述了一种温度记录图的方式来对电子束融化加工进行监测的方法 电子束融化加工技术是由瑞典的 ARCAM 公司提