增材制造制件表面结构测量的特殊考虑

增材制造制件表面结构测量的特殊考虑A.1增材制造的一般考虑当测量晶格结构和其他具有复杂内部几何形状的制件时，表面结构测量通常受光学系统视线访问要求或接触式测量系统接触访问要求的限制。增材制造制件表面测量通常需要考虑阶梯效应，如图1。成形角度和层/切片厚度往往是侧表面形貌的主要影响因素。阶梯效应示意图A.2粉末床熔融增材制造的考虑粉末床熔融工艺中粉末与能量源相互作用，粉末床熔融制件表面带来的一些更常见的挑战（见图A.2）有：大的测量范围；球状突出物；表面/亚表面孔；反射率的变化；感兴趣区域尺度范围大；凹角特性。附着在侧面的粉末和落在上部表面的飞溅颗粒都有助于在表面上产生大的突出物。表面高度范围进一步增加了任何表面孔隙或谷区的存在，这些凸起和凹陷受限于垂直扫描范围限制的测量技术带来了挑战。采用更大的测量范围通常意味着垂直表面形貌的可重复性误差大于测量相对平坦的测试表面时存在的误差。光学特性如反射率会基于粉末床熔融所使用材料类别及制件不同表面而不同，这将给光学测量技术带来干扰，如由于表面孔隙或山谷区域的存在，需要使用高强度光线来捕捉反射光线获得表面数据，但金属粉末床熔融制件表面在熔化和凝固过程中也会产生非常光滑的区域，具有较高的反射率，该区域在高强度照明的光学仪器中易产生过饱和图像，这将使合适光学测量参数的确定变得困难。粉末床熔融制件表面通常具有很宽的空间波长范围，这些表面通常具有数百微米大小的大尺度成分(例如熔融轨迹或层)，以及飞溅，未熔化和半烧结粉末以及其他外生粒子，它们的特征是几十微米大小，表面上通常还存在更高的空间频率成分，如几微米大小的熔融波纹。粉末床熔融制件表面的特征和挑战在粉末床熔融工艺中，粉末和材料、成形工艺参数、支撑移除、后处理及表面精加工均对最终的表面形貌有影响，这些特征也同时对表面结构有影响，对所产生特征相对尺度的了解将有助于理解各种测量技术的局限性，并有助于测量计划的制定。

（资料性）

测量参数触针轮廓仪金属PBF表面上存在的各种难以测量的特征，如飞溅物、粘附颗粒、孔隙、裂纹、悬垂、阶梯状过渡等复杂结构可能会损坏设备本身，此外，该方法该还可能导致触针飞行和待测件表面损坏。但由于触针式轮廓仪与表面的相互作用可更容易建模，该方法通常被认为是可追溯的(如果校准)。触针轮廓仪测量粉末床熔融增材制造金属制件表面与传统机加表面类似，但该表面特征的复杂性及不均一性会影响到测量参数的设置。光学系统概述光学系统本质上是非接触式测量,该方法排除了因触针机械接触而导致的试样损坏风险，但也使得制件与仪器之间相互作用的建模困难，从而导致可追溯性差，并难以与接触式进行比较。光学测量通常比接触式快，尤其是区域测量时。光学系统利用物镜提供一定程度的放大倍率并具有数值孔径(NA)。光学分辨率被定义为区分点的能力，与NA有关。具有较高NA(发现具有较高的放大倍率)的物镜可以允许逐渐倾斜的光线进入并且能够分辨较小的特征。变焦三维表面测量仪由于变焦系统可利用漫反射来避免物镜数值孔径的限制，所以目前商用的变焦系统尤其适用于粗糙表面和坡度较大表面的测量，因此，通常不能用该系统来测量光滑表面，因为在这种情况下，该系统用于确定表面位置所需的局部对比度不存在，同时，也不能用该系统来测量透明和半透明材料(同样由于局部对比度不存在)，但通过一些适当的方法(如硅胶成型)修饰表面，则可能使测量可行。变焦系统本质上也提供颜色信息，可以描述在形貌数据中无法识别的特征被表征(如表面氧化等)。变焦系统常用的可调测量参数有物镜放大倍数、垂直采样分辨率、横向采样分辨率和照明类型。物镜放大倍数。应根据所需要的感兴趣区域尺度来选择物镜放大倍数，即较小的特征需较高的放大倍数，而大视场需较低的放大倍数。通常，即使是在低放大倍数下，该系统也有足够的数值孔径来捕捉粉末床熔融制件的表面特征。垂直分辨率。应权衡垂直采样分辨率，以提高测量的重复性误差，同时不引起太多的未测量点。上表面一般具有较低的未测量点。在测量上表面时宜使用高的垂直分辨率（较低数值），从而提高测量精度。侧表面一般具有较高的未测量点。在测量侧表面时宜使用较低的垂直分辨率（较大数值），即以降低数据质量(增加重复性错误)为代价来降低未测量点。横向分辨率。应基于测量时感兴趣区域的最小尺度来进行横向分辨率的选择，然而，用户应使用能够捕获感兴趣特征的最低分辨率以降低未测量点。照明类型。应基于表面的类型、材质和取向以及充分照明表面但不造成图像对比度问题(曝光不足或过度)的能力来选择照明类型。同轴光（通常是默认的）。足以照亮上表面。环形光。环形光增加了照明的孔径，可在侧表面上使用，以控制曝光量，即既不过度饱和（主要针对顶部颗粒），也不欠曝光（主要针对孔隙等凹坑）。偏振光。可用来测量更多的反射表面，以克服出现在粒子表面的过度曝光。对于具有类似噪声、重复性误差和未测量点的测量，区域结构参数如Sa不会因测量工艺参数的改变而受到太大影响。然而，上述因素将影响到实测形貌重建的实际细节的准确性。共聚焦三维表面测量仪目前的商用共聚焦显微法测量系统都可以实现表面测量技术中最大的横向分辨率。由于不扫描光栅模式中的点，共聚焦技术速度更快，但普遍包含更高的高频噪声成分。共聚焦显微镜法测量系统用于测量增材制造制件表面时面临一些挑战和限制，因为即使是上表面也会存在高倾角（由于颗粒，气孔或在熔融边缘）区域，但可通过调整测量参数来提高测量质量。共聚焦显微法测量系统的参数设置有光线强度和增益、物镜、垂直步长高度、阈值、采样间距。光线强度和增益。与相干扫描干涉法一样，HDR模式涉及用不同的光亮度测量相同的区域，并以测量时间为代价获得最佳信号。物镜。物镜的选择取决于很多因素，如需测量总面积时，会使用最大的视场以减少拼接，或使用有利于测量表面倾斜区域或边缘的数值孔径。在增材制造制件侧表面上通常最好采用最大数值孔径（最高分辨率），并采用视场拼接的方式对其进行测量，而不是采用较低分辨率进行单一视场测量。垂直步长高度。通过使用更小的步长，可以测量更多的成像平面，从而减少代表表面高度的最大强度点的插值误差。对于PBF表面，特别是侧面，最好使用较小的步长高度，以减少测量中的噪声(然而，这一决定必须与增加的NMP进行权衡)。阈值。阈值的选择是为了去除或减少测量结果中产生的伪影。扫描模式。扫描模式可以针对增材制造制件的表面进行优化，如采样率的增加(即更慢、更准确的采样策略)，可提供更高的测量质量和更多的测量点，特别是侧表面。采样间距。采样间距(就输出数据中的点间距而言)依赖于共聚焦技术中激光扫描策略或探测器的设置。对于单个视场，NMP随采样尺寸而减小，尽管与之相关的测量噪声也随之增加。对于拼接，最好减小采样尺寸以限制数据文件过大。通常，共聚焦显微法的测量噪声与未测量点之间存在一定的关系。宜覆盖范围和测量噪声方面权衡。相干扫描干涉仪相干扫描干涉仪（以下简称“CSI”）的光源与宽带频谱(通常是白光)不相干，因为短的相干长度减少了确定条纹顺序的模糊性。CSI测量最基本的参数设置是工作台倾斜度、扫描长度、测量速度和照明/曝光量。工作台倾斜可消除局部表面倾斜，这是为了确保被测量的表面尽可能地与光轴正交。选择合适的扫描长度以能包括表面的高度范围。调整表面上的光照/曝光量以确保图像有对比度，但不过度饱和（这对于有深凹和高反射粒子的增材制造制件表面来说是困难的）。除此之外，其它更先进的设置有：物镜放大倍数。应根据测量所需要的感兴趣尺度来选择，即较小的特征需要较高的放大倍数。通常需要更小的视场和更高的数值孔径以捕捉表面上的高坡区域，但是减小视场通常会增加测量时间。带宽。应采用合适的滤波器以减少光源带宽，从而增加相干长度，有助于测量有粒子特征的更高斜率的增材制造制件表面。采样方式。信号过采样可提高测量灵敏度，增加数据覆盖率，且随过采样因子的增加会降低未测量点，但会增加信噪比。同时，增加每次测量的帧数或增加每次扫描的帧数时振动或其他不稳定或漂移也可能引起负面影响。测量优化算法可以最大限度地减少这些影响。照明设置。高动态范围照明可多次测量表面(与信号过采样类似)。对于金属PBF，HDR允许对表面上的所有组分使用充足但不过量的照明，如在一次表面扫描中，针对表面的高反射颗粒及任何难以照亮的区域如孔隙或凹坑均可确保足够的照明。X射线计算机层析扫描X射线计算机层析成像法主要是基于该设备对增材制造制件表面的扫描，基于三维表面形貌分析仪分析而得到表面结构参数，表B.1列出了最重要的扫描参数及参数描述和其对X射线采集的影响。X射线计算机层析扫描测量参数描述与影响参数名称参数描述影响几何放大倍数X射线源到探测器的距离和X射线源到物体的距离之比决定体素大小(即分辨率)，一般来说，体素大小是探测器像素大小除以几何放大倍数所得的值，其中体素是一个三维像素投影设置包括投影数、用于创建单个投影的帧数和每帧的时间确定扫描时间并影响图像亮度和对比度X射线电压用于产生X射线的电子的峰值电压影响图像对比度和亮度X射线电流用于产生X射线的平均电子电流影响图像亮度，并在较小程度上影响对比度X射线预滤波器由高X射线衰减材料制成的硬件滤波器，用于从输出光谱中去除低能量X射线，创建伪单色X射线光谱影响图像亮度和对比度，降低重构数据中光束硬化的影响阴影校正设置包括用于创建阴影校正的明暗帧的数量补偿X射线探测器的不规范。较长的补偿更好，但增加测量时间最大化几何放大倍数。为使几何放大倍数最大化，被扫描的物体应被放置在尽可能靠近X射线源的地方，同时确保物体始终在视野之内。如果需要更高的放大倍数，可以将物体移动到视场之外的位置，但可能会导致重构失败。最小化管电压和最大化X射线预滤波。电压降低可以提高对比度。需要的强度值因X射线计算机断层扫描系统制造商而异，通常相当于最大信号的10%-15%。最大化管电流。管电流是