电子束粉末床增材制造成形过程的实时可视监控方法 - 图文

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. 增材制造（AM）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. 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. AM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10-100μm

4. AM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. 粉末床熔合（PBF）

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

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好处是没有氧气引起氧化。在熔化期间，引入约10×10 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. 粉末床熔合的无损伤原位监测方法

1. 使用IR(红外)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100μm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. 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. CCD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40μm的两条40μm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. SLM(选择性激光烧结)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

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