三维光学分析如何优化添加剂生产过程?

制造业经历了一系列重大的演进在过去的几年里。减去过程(钻孔、切割、数控铣削和车削)和标准造型的技术(注射、觅食、冲压、铸造、模具)一直受到新的挑战,快速增长的颠覆性技术,包括3 d印刷、激光表面纹理和加法制造等等。

本文讨论了其中的一些新技术和传统方法对于理解底层参数和挑战。力量3 d光学分析技术如何适应新的和不断发展的生产方法进行了讨论。最后,几个案例研究说明了光学分析可以帮助优化这些新的制造工艺。

新的制造工艺

尽管减法和造型的技术已经存在了很长时间,需要灵活设计,概念和定制意味着制造业总是寻找新的,改进的解决方案。例如,造型的制造业需要邮票的概念和制造模具,不需要进一步改变或定制。

这通常为大批量生产并降低成本。同样,在减去过程、超高速加工和计算和五轴自由的进步提高了生产的用法和功能复杂的部分。然而,有时它实际上已经导致了更高的生产成本由于通过减法技术材料的损失,也就是说,从一个大的块,然后删除问题设计的部分。此外,一些设计与这些方法仍无法实现,例如凹角或交叉功能。例如,这可能是由于物理访问限制钻头。

图1所示。插图的生产原则。

某些市场,包括航空航天和汽车,引发了新的制造技术,需要更轻、更耐机械零部件设计或定制的固有的灵活性。因此,3 d打印技术、激光纹理和加法制造已经成为populare工业生产的新途径。3 d打印技术和加法制造来自相同想法的创建一个对象一次一层从CAD文件(通常以STL格式)。

更具体地说,加法制造包括一个过程,烧结金属粉末被设置成固体或融化。标准的粉末是由通过雾化过程的纯金属(例如,镍、铜、铝、钛)或合金(如金属陶瓷、铬镍铁合金和钢)。最常见的技术包括电子束融化(实证)或扫描激光直接金属激光烧结)粉床,可每一次后刷新。这种技术也称为LPBF或粉末床上融合。

然而,3 d打印技术起源于一个稍微不同的原则。在这种情况下,材料沉积直接一次一层虽然喷嘴通过粘结剂(粘结剂喷射)或单线挤压(熔融沉积造型)。广泛适用于各种聚合物3 d打印技术制造,从商品聚合物(ABS、PE、PP、PVC)高性能的(裴,PEEK)。

尽管3 d打印和加法制造允许的灵活性和快速定制,他们共享相同的技术挑战。由于柱状获得增长,各向异性电阻部分固有层的过程。这是有利的对特定应用应变施加在一个特定的方向。提高各向同性、策略基于阴影模式的激光扫描路径或适当的两个激光路径之间的重叠。

此外,连续加热/冷却周期和随后的热金属扩张/收缩或再结晶聚合物诱发层压力。带来的主要后果,这包括部分变形,导致偏离期望的尺寸公差,以及维持疲劳裂纹扩展或限制。目前使用的解决方案是基于后处理退火阶段或适当的刺激变形包括他们在制造过程中。

最终,需要找到一个最佳的平衡之间的激光功率(挤压速度和温度线),床厚度和扫描速度对任何添加剂生产过程基于粉末床上融合,在较小程度上,材料挤压技术。图2说明了激光功率和扫描速度的影响。为了确保高机械性能,这些参数是至关重要的。孔隙度和孔隙的形成,以及非粘性材料的直接结果可怜的过程设置。亚博网站下载

图2。说明激光功率和扫描速度的影响在选择性激光熔化粉床。

表征技术

正如前面提到的,3 d打印技术和添加剂技术依赖于适当的生产设置成功。结果,描述技术在推动流程优化中发挥作用提供信息的过程去识别任何失败的根源。力量有一个独特的范围广泛的各种应用技术解决方案:

• 谷物纹理和残余应力,x射线衍射提供全球信息而EDX传感器在电子显微镜获得本地信息。
• 表面和体积可以访问通过微型电脑断层扫描(µCT)和光学轮廓测量。临界尺寸(CD)、孔隙百分比偏差从CAD模型,输出波度和粗糙度都重要。
• 对于粒子化学,x射线荧光提供惰性气体元素成分而燃烧气体分析和融合质谱允许跟踪量化氩,碳、氧、硫、氢和氮影响力学性能。
• 机械性能可以通过纳米特征(单粒子/高分辨率映射)或微压痕(维氏硬度)。通过穿摩擦学特性也可以评估(销在书桌上,线性往复)和疲劳测试。

图3。力量的总结描述加法制造的技术。

本文集中于如何三维光学分析器将地形测量转化为量化的粗糙度参数,直接链接到制造过程。下面的三个案例研究覆盖床融合加法制造通过选择性激光熔化(SLM)和聚合物3 d打印。

案例研究:过程影响不锈钢零件

与标准的减法技术相比,加法制造过程的结果在不同的表面粗糙度。这个案例研究讨论如何三维光学分析可以评估的粗糙度差异的量化过程,并允许后处理效率。多个不锈钢酒吧制造机械测试使用不同的流程,从普通车床加法制造。通过执行加法制造曙红M270机与EOS不锈钢GP1中粉沿着两个不同的方向从酒吧方向(横向或纵向)。强调差异,地形被白光干涉法(WLI) 3 d光学分析器20 x客观沿着1毫米²区域。图4总结了不同的过程。

图4。摘要选项卡为过程和视觉方面金属酒吧。样品由悉尼大学,澳大利亚。

图5显示了3 d地形和证实的差异对过程的类型。最低的粗糙度是车削加工表面的结果而生添加剂制造表面显示一个大的垂直距离。后处理位于,清楚地表明,整体粗糙度之间成功地减少了。

图5。地形的结果从四个不同的过程。面积和垂直尺度比较的是相同的(1毫米²和[-60μm, + 80μm]分别)。车削加工是在一段时间进行后期处理酒吧b, C和D所示显示垂直和水平成长条,分别。

Sa的平均粗糙度参数可以用来减少容易测量粗糙度的效率和有效性(参见图6)。它是一个普遍接受的和方便的参数和等级不同的后处理可以找到最符合成本效益。

图6。图形的总结意味着粗糙度与流程(左)和外观与亮度(右)。

此外,每个酒吧都有非常不同的方面,不同的粗糙表面。美学在消费者知觉可能发挥重要作用,取决于市场的制造业,这可以使它成为一个关键问题在最后的质量检查。通常这种控制是手动和完全基于视觉感知的运营商。平均斜率参数Sdq可以一个可能的选择,以减少操作时间和获得更高的一致性生产线。有一种强烈的依赖和不错的平均斜率和亮度之间的相关性。

最后,添加剂制造部分通常需要第二步过程性能优化表面功能,例如磨损和机械阻力或能力强锚油漆/涂料。因此,加法制造需要专用的参数可以排名最初的生产表面是多么的好,更提高了后处理。功能区域粗糙度参数可以很容易地计算出初始体积的物质接触(Sm)与孔隙体积可以反向链接(Sv)和耐磨性影响润滑剂/油漆保留或机械强度高概率的裂缝。

图7。总结材料和空隙密度峰值的各种流程。

在这项研究中,减色法的叶子表面光滑表面孔隙度低和高负载能力。这是显示低峰值和孔隙体积参数。同时,这些参数区分加法制造路径好:垂直制造业得到峰值体积但更高的孔隙体积小于水平制造业。有一个倾向于水平层增长由于机械强度和耐磨性在垂直高度的影响。这个值等参数,可以用来衡量不同的构建策略的有效性,因为它是user-independent和量化。最后,强调功能性参数后处理操作通过减少峰值销量和孔隙度提高轴承和更高的机械强度。不同的后处理方法的有效性,因此可以排名在固有的原因和背景可以引起故障和/或表现不佳的产品。

非接触式三维分析已明显分化每个进程在这项研究中,这个职位提供量化规范值,可以与功能联系起来。这些参数可以用于在开发阶段和生产线质量控制。

案例研究:粉影响铝合金零件

所有床上fusion-based加法制造过程是如此敏感粉选择改变粉需要生产参数的微调。这个案例研究说明了改变的影响从铬镍铁合金纯铝粉718建造完全相同的部分。记录地形与焦点变差3 d光学分析器被用来量化效果。

之间达到最佳平衡纵向/横向分辨率和视场捕捉重要特征的两个部分,一个20 x的目标是利用。除了能够操作非常粗糙表面,焦点变化技术给出了彩色图像的每个像素的焦点,地形。颜色提供了可能的合金形成或氧化的附加信息。基于一个例子对铬镍铁合金-和铝表面如图8所示。

图8。真正的彩色图像(左)制造的金属部分,由Volum-E,法国;和3 d渲染的地形(0.7 x0.7毫米²)与彩色地图覆盖的铝粉(右上角)和铬镍铁合金粉(右下角)。

图9显示了系统测量在相同的位置。经初步检验,零件制造铝明显起皱以及更高的粒子或聚集。yabo214相反,一个平滑的表面,揭示典型的山脊的运动留下的融化与Inconel-based看到前面的过程。有时,圆颗粒较小,分开与铝粉被观察到。yabo214这项研究表明,生产参数更适合铬镍铁合金粉,这会产生更好的融合完整性,减少飞溅。然而在特定的位置,可以观察到孔隙度,因为激光太快(参见图9,底下一行)。

图9。汇总表显示地形粉末和不同位置的样本。所有地形显示与同一地区相同垂直刻度(0.7到0.7毫米²,Z规模(-140μm;+ 140μm]分别)。

虽然3 d地形提供了定性数据的过程是多么成功,区域粗糙度可以添加必要的定量数据正确反馈生产和后续的生产参数的微调。在这个案例研究中,反指峰会半径和适当的特殊过滤揭示粒子可以emphazise剩余un-sintered粒子的存在和/或飞溅。yabo214如图10所示。在这种情况下,似乎有一个重大区别铝Inconel-based部分,这可以用来检查参数和微调的过程或质量控制。

图10。通过粗糙度参数区分铝合金和Inconel-based部件制成。图左边显示的平均值(固体酒吧)与1σ色散(竖线)。地形(aluminum-middle;Inconel-right)高斯高通强劲后,显示二阶和0.25毫米截止。垂直尺度粒子渲染进行了优化。

通过市场细分,粒子的数量和规模的进一步量化计算。yabo214初步分析是加强通过粒子的平均直径的明显迹象,这表明可能的失败根源相比之下原生粒子直径。yabo214一个例子,粒子排名从最大到最小的平均yabo214直径是如图11所示。

图11。从铬镍铁合金,过滤后的地形图像的自动分割。吧,总结所有检测到的粒子平均直径、总高度(Rp %)和体积。

很明显说明了在这项研究中,一个3 d光学分析器使用焦点变化可以可靠地描述粉末类型加法制造过程的影响。关键信息,如飞溅的存在和/或剩余的粒子,也被这种技术,可用于进一步跟踪和改善生产流程。

案例研究:对3 d打印PEEK材料温度的影响

PEEK是一个重要的材料和显著的惰性行为在各种各样的环境。制药行业使用它提供气雾剂药物有足够的药物混合组件和没有锚地的外国粒子(清洁)。yabo214这个案例研究侧重于设计一个混合使用热挤压3 d印刷。PEEK纤维被融化,然后被扫描喷嘴创建混合一次一层。的主要目的是检查影响挤压温度对内部通道拓扑。因此,两个样本准备:一个在过高温度,另一个在正确的温度。建成后,部分裂解访问内部渠道三维光学测量。另一个非破坏性的解决方案将是微型电脑断层扫描。

图12。河道地形测量10 x目标和缝合:通道与适当的温度(6.9 x3.5x0.7毫米³左);频道不合适的温度(9.0 x2.4x0.6毫米³)对的。平均粗糙度(Sa)是7.8μmμm和7.5,分别高通高斯回归滤波器后,1日订单,截止0.25毫米。样品由我造,都柏林,爱尔兰。

明确强调3 d形貌测量温度的影响。储层流体的通道是由萧条/温度过高引发的毛孔。这说明一个可能的混合问题和/或污染,排除了这种结构要求制药应用。然而,平均粗糙度参数(Sa)不能用作通过/失败标准。令人惊讶的是,除了毛孔、通道设计有平滑的外观缺陷(参见图12)。此外,意味着粗糙度不提供任何指示如何推动过程改进,也不说明失败的原因。

从空间部分区域粗糙度参数是一个更好的指标,因为3 d打印叶子一个定义良好的层模式。例如,图13显示了自相关长度(Sal)区分处理得很好。以及分化,萨尔还提供直接信息层周期性,这直接关系到生产过程。这也是大大有利,因为它检查协议预期同时层间距和实际结果。

萨尔达89毫米在一个适当的过程,对应于喷嘴间距层。然而,对于有缺陷的零件,萨尔是小,这表明混合/层之间的合并。因此,萨尔粗糙度参数成了迫切的反馈参数而改变挤压温度。有缺陷的过程是隐含的或高或低价值与预期的层间距。用户可以可靠和快速收敛到最佳的一组参数最优生产使用这个过程。

图13。图显示自相关长度之间的差异部分,将工作和那些不会(左)。地形形状删除和屏蔽后的平滑区域妥善处理部分(右上角)显示和有缺陷的零件的地形(右下角)。

结论

本文讨论了如何重要三维光学分析可以对流程优化、流程优化在加法制造和质量控制。垂直和横向光学分析器计量的准确性,结合非接触式和面积测量,导致可靠的诊断方法和可行的评估如何良好的生产过程是在不同的粉末,不同温度下或不同的流程。因此,三维光学分析已成为一个关键特征技术支持的开发和微调加法制造技术和3 d打印。

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