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深度解读激光增材制造中的过程监控_热购彩票登录首页
2020-11-25 [93829]

技术基础激光增材生产(LAM)设备有两种类型:粉末床和送来粉式。近期业内较多的注目集中于在后者身上,本文辩论的也主要是后者。

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图1表明了标准化的粉末床系统的原理示意图,在该系统的整个工作区中用于刮板来展开平坦粉末的步骤,以在建构平台上创建粉末床,整个过程是在可以掌控内部环境的成形维护室内展开。激光能量传递到粉末床的表面,引发粉末的局部熔融和融合,使得该区域的金属粉末烧结。一般来说情况下,每一道激光扫描能熔融并新的凝结数层粉末,粉末层的厚度一般来说为20至150μm。在每一次激光太阳光后将额外的粉末从工作区刮掉,然后反复上述过程,直到建构出有一个牢固的三维(3D)零件。

每一个“建构”过程包括数以千计的分层,因此每次运营必须花费几十到几百个小时。每一次“建构”可以分解数十个完全相同或有所不同的零件。

由于在金属增材生产过程中是一层接着一层熔融并且较慢凝结,所以零件经历了牵涉到定向热传递的简单的热进化历程。一些主要用作航空航天和医疗/牙科应用于的合金零件甚至可能会遇上重复的固态热力学。

这些因素使得对成品显微结构属性的分析,比较那些用于传统方式生产的零件而言,显得更加简单。频密的定向热量萃取不会造成晶粒结构在Z轴方向(垂直建构平台)呈圆形柱状,并且“在增材生产中,各处的显微结构和力学性能一般来说呈圆形各向异性,而Z轴方向一般是最强的”。激光选区熔融(SLM)工艺的典型缺失还包括显微镜质地以及邻接层之间融合很差。航天应用于尤其注目的是附近零件表面的孔隙引起的疲惫裂纹,同时表面光洁度也不会对疲惫寿命导致影响。

综合上述问题一起考虑到,尤其是那些对结构起着关键作用的零件,广泛应用增材生产技术所要面对的根本性挑战是成品的合格性以及如何测验其合格性。最近,关于增材生产的一些报导都在敦促利用在线、闭环的过程控制和传感器来保证增材生产的质量、一致性和重现性。总体的目标是在空间分辨率高于1mm2的情况下构建平稳的分层质量评估,这将减免一般来说在建构后展开的检测或破坏性测试。

领先的航空航天制造商也十分反对在线监测:GE航空发动机公司的增材生产业务扩展总监GregMorris先生说道:“如今,增材生产一个引擎零件所必须的时间中有25%是用作后检测工序。通过在建构过程中动态展开在线检测,我们将减缓增材生产引擎零件的生产速度,例如LEAP燃油燃烧室。”设备和工艺的多变性过程监控解决问题的主要问题是增材生产设备或激光与材料的相互作用所具备的多变性,因为后者不会反过来妨碍金属的微观结构或宏观力学性能。还包括建构平台和成形维护室的温度、维护室的氧气浓度、惰性气体流经粉末表面的速度在内的环境因素将不会影响工艺切换和缺失的构成。

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在每一次激光扫描过程中,激光功率、焦斑大小和z轴方向的功率密度变化是要求材料热偏差的潜在波动的关键参数。晶粒的粒径产于和形状将不会影响每一层粉末融合的状态,从而影响激光增材生产零件的表面质量和密度。关键的运营参数还包括扫瞄速度和扫瞄间距(x-y),尽管如今的振镜扫描器在这些方面展现出得充足平稳,并且重现性很好。每一个分层的建构或者说“轻涂覆”过程也必需在层薄的均匀分布性以及每层的可重复性方面维持高度一致。

最后一点,零件的几何形状将不会影响热传递过程。材料的钩部分和锐利棱角部位的热传递有所不同,不会引发形变变形以及孔隙、针孔或显微镜裂纹。

SLMSolutionsNA公司北美地区运营副总裁JimFendrick认为:“局部的热力状态要求了整个过程,几何形状也有关系。”如何保证质量鉴于影响材料积累热曝露的参数十分多,增材生产设备构建动态质量保证(QA)的方法分为三类:◆传感器监控和掌控设备状态的各个方面;◆粉末床表面或层薄的缺失/点状的评估技术;◆对激光与材料的小的相互作用区或者说“熔池”的必要传感。领先的增材生产系统供应商,例如SLMSolutions(德国Lübeck)公司、ConceptLaser公司和EOS公司(德国Krailling),都在利用模块化硬件和软件的方法来应付这些挑战。EOS为其模块命名为“EOSTATE”,而ConceptLaser则将其命名为“QM”(质量管理)模块。

SLMSolutions公司的近期系统最少能包括六大模块,每一个模块都是根据自身的功能来命名。设备状态的传感这是商业化增材生产设备构建其“过程监控”的第一个方面。第一步是掌控成形维护室内部的状态。

对惰性环境的温度和瓦解氧气含量、建构平台的温度和系统的气体净化过滤器的压差展开监控、管理并载入计算机。ConceptLaser的QMatmosphere模块能调节成形维护室的氧气浓度,而EOS的EOSTATEBase模块能同时监测几个成形维护室和其他的设备状态。

SLMSolutions的Sensors模块能监测整个设备范围内数个方位的温度、过滤器的状态、成形维护室内的氧气浓度,并且间隔两秒就将这些数据录入到计算机。_热购彩票平台。

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