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Sigma Labs:过程质量保证对金属3D打印的重要性

导读: 虽然金属3D打印技术在制造业有着很大的发展空间,但仍有许多问题阻碍了它的广泛使用。

  虽然金属3D打印技术在制造业有着很大的发展空间,但仍有许多问题阻碍了它的广泛使用。除了金属3D打印机的成本较高之外,还有一个很大的问题是打印的可重复性和质量控制,特别是涉及到像直接金属激光烧结(DMLS)这样的粉末床工艺时,这个问题更为突出。在打印过程中,由于零件支撑结构的布局和减小其剩余压力所引起的变化,打印机操作者或工程师可能要多次打印才能得到最终想要的效果。

  因此,许多公司正在努力控制打印环境来可靠且可重复地生产优质零件,由洛斯阿拉莫斯国家实验室的前工作人员成立的Sigma Labs公司就是其中之一。该公司一直在为粉末床金属3D打印工艺开发质量控制硬件和质量控制软件。

  作为美国官方3D打印创新研究机构America Makes的成员,Sigma Labs一直在与国防和航空航天制造领域的知名公司,如GE和Honeywell,进行高水平的3D打印项目合作。GE和Honeywell已经开始在自己的内部机器上测试Sigma Labs独有的过程质量保证(IPQA)软件。

  “在与波音公司的共同努力下,我们的质量保证软件终于投入使用。六年前,波音正在为他们的787 Dreamliner进行钛合金线性摩擦焊接。当时我们为波音公司研发的技术形成了今天质量保证软件(the quality assurance software)的基础。”Sigma Labs的CEO Mark Cola说,“此后多年,我们跟波音公司一起开发这款软件,但被应用到了不同的制造工艺上。”

  Sigma Labs开发的质量保证软件可以被应用到许多制造工艺上,包括其他形式的3D打印。

  事实上,Cola说Sigma Labs已经在Arcam的电子束熔融3D打印技术上成功地实施了PrintRite3D,然而现在Sigma Labs的开发重点是DMLS。

  目前,PrintRite3D由三个云软件模块(INSPECT 、CONTOUR 和ANALYTICS)和一个硬件包(SENSORPAK)组成。硬件包可由Sigma Labs授权单独使用。

  SENSORPAK包括一系列传感器和一个整合到3D打印机上的计算机接口以监控打印过程。

  INSPECT 模块监测3D打印机打印室的温度,来提供可操作的冶金数据。

  CONTOUR 模块处理零件的可视化数据,以提供有关零件的几何信息。

  仍在开发中的ANALYTICS模块会把来自多台机器和多个零件的所有信息联系在一起,即时为一家公司提供全局的打印、产品和打印机数据。

  PrintRite3D工作流程先让SENSORPAK在打印过程中收集大量的热历史数据和成像数据,然后再执行数据还原,完成后会把数据发送给云应用。云应用收到数据后会对其进行处理分析,之后再将数据传送给机器操作员。操作员据此来确定打印过程中的打印质量。

  INSPECT 模块和CONTOUR 模块提供了许多必要的过程质量保证,特别是打印对象的冶金和几何数据。机器操作员也可以和Sigma Labs一起来为每种材料和和每种零件确定一个标准的打印和打印过程。这样,在打印过程中,打印对象就有了一个参照标准,以此来保证正在被打印的零件是合格的。

  “打印时,你需要一种途径,以确保正在被打印的对象是符合设计意图的。”Cola指出,“这个途径就是制定一个标准,且这个标准永远不会改变,其他一切都将以此为准。在设计模型时,你用我们的传感器和软件应用来制定一个标准,然后再用我们的数据库来将这一标准存档;当你在进行产品测试时,还会继续参考这个标准。

  在3D打印中,质量保证是必要的。在打印最终使用零件前,其设计首先会经过多次试验和错误测试,同时机器操作员会决定打印参数。然而,确定零件是否达标的质量保证方法往往昂贵而耗时,甚至具有破坏性。

  这些方法包括破坏性测试,在这种测试中,操作人员会毁坏零件来测量其物理性能以及它是如何承受各种压力的;当然也有非破坏性测性技术,如X射线或超声波测试。破坏性测试检查得十分彻底,非破坏性测试却可能无法检查使得3D打印变得如此有价值的复杂内部几何形状。

  “公司一般采用计算机断层扫描。”Cola说,“你可以想象那样成本得多高。对于那些非常复杂的设计,我们有一些客户,他们每花一美元来制作零件,就得花四到六美元来检查它,确保零件正确的成本太高了。因此,他们十分希望制造和检查能同时进行。”

  Cola指出,IPQA是一种用来确定零件质量和检查零件是否达标的更有效的方式,且成本可能会更低。随着3D打印用户对这项技术越来越有信心,IPQA 可以开始取代一些在零件打印完成后才对其进行检查的质量保证方法。

  Sigma Labs公司CEO Mark Cola

  最近采用Sigma Labs的IPQA系统的制造公司是Woodward。Woodward主要为航空航天制造商,如GE、普惠、劳斯莱斯和霍尼韦尔(Honeywell),提供燃料电路和燃料喷嘴等零件。

  Cola解释说,“今年秋天,Woodward将安装他们的第一台内部金属3D打印机,他们想在这台机器使用的第一天就安装上我们的质量保证软件。”目前,Woodward已加入Sigma Labs的早期采用者计划(Early Adopter Program),Woodward将评估PrintRite3D的软件模块。为此,Woodward将在一台新的EOS M290 3D打印机上安装PrintRite3D。

  Sigma Labs仍在继续与公司合作来提高自身产品,同时扩大影响。除了上述航空公司外,它还在与EOS、通快(Trumpf)等3D打印机生产商合作,直接将PrintRite3D应用到他们的机器上。软件方面,Sigma Labs已经在与Materialise合作,将PrintRite3D直接嵌入Materialise的3D打印自动化与控制系统Streamics上。

  Sigma Labs目前也在与质量控制领域的另一家公司3DSIM合作开发联合产品。Cola说,3DSIM致力于质量控制的前端,而Sigma Labs则与其相反,专注于后端,即打印过程中的质量保证和统计控制。

  Cola真正想实现的是一个过程质量控制机制,一个闭环反馈回路,以纠正打印过程。为了得到一个闭环反馈回路,Cola认为首先应该建立过程监测和数据采集。

  通过与所有这些公司合作,Sigma Labs已经将它的解决方案融入到3D打印行业的方方面面,从最终用户如GE到制造商如EOS和软件开发商像Materialise。为了实现彻底闭环,Cola说Sigma Labs也已经成立了一个3D打印服务部。在这个部门,Sigma Labs可以与客户一起设计、测试、打印零件并确保其达标。客户既可以将PrintRite3D内化成第三方服务部,也可以让Sigma Labs为他们3D打印零件。

  最终,Cola看到IPQA不仅被应用到3D打印行业,还被应用到其他制造领域。他解释说,“随着工业物联网的兴起,所有这些制造机器都需要一台边缘计算机。它也许是我们的SENSORPAK,但里面可能会有不同的传感器,因为这是一个不同的过程。”

  换句话说,在不久的将来,PrintRite3D可能会提高3D打印。但从长远来看,类似的过程质量保证技术可以应用到各种类型的先进制造设备上。

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