电子束粉末床增材制造成形过程的实时可视监控方法

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-P0M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10-100口m4. 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；它另外的好处是没 有氧气引起氧化。在熔化期间，引入约10X10 -2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-W订liams 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 TI6A14V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Infra tec 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160mmX120mm，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100 口m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130mmX 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250mmX250mm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40 口 m的两条40 口 m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，系统可以根据不同区域的导热性(如凸出结 构)来调整激光的输出功率。为了在高速扫描下得到高质量的处理图片，额外的照明设备是必须的。此外，由固定 相机可拍摄的图片区域是有限的，因此将加工检测系统设计成同轴组装结构。扫描时工艺 检测系统的基本结构如图2所示，加工激光束通过分色镜反射到扫描设备上，扫描设备根 据从CAD模型获得的几何数据将激光束偏转。最后，激光束通过f- e镜片聚焦到加工区域。 加工区域通过照明激光束照明。照明激光束通过电子束分束器偏转，并且通过分色镜传播。 通过加工激光束可以实现定位和聚焦。加工区域的图像信息通过f-e镜片、扫描头、分色 镜分光板在整个系统中传输。装配必须设计成可以避免图像不清晰并且确保图像信息可以 被高速相机捕捉到总而言之，用于激光pbf的原位监测系统的开发工作集中于使用在线相机对熔池进行 监测，结合光电二极管和一些闭环控制熔体池温度。不太复杂的离线系统不需要机器集成， 课进一步用于研究熔池行为。目前，测微技术很流行，但是有限的视野和数据捕获速率限 制了闭环系统的发展。IR系统已经显示出对激光PBF处理的原位检测的良好潜力，已经进 行熔融池监测以及诸如(人造)孔的材料不连续性的检测，但是尚未被集成到机器中(是 一个独立的系统)。尽管分析任务在很大程度上是手动活动，并且仍然要实现闭环反馈，使 用高速照相机对更宽的粉末床进行成像已经使得粉末床中由于重涂器的损坏和过度加工导 致部分卷曲的区域出现缺陷。7. 原位工艺检测面临的难点及一些改进方案1. 原位工艺检测面临的难点虽然激光和电子束-PBF工艺遵循大致相同的工艺步骤，但是不同的设备和工艺条件为 原位工艺检测提出了许多挑战。例如，(1) 用于在电子束-PBF处理期间偏转电子束的电子磁性线圈禁止同轴布置；(2) 并且来自熔池的金属的蒸发和冷凝会导致机器观察窗的金属化；(3) 加工在真空中进行，限制了检查设备集成于机器内部；(4) 由于电子束能量源的快速，瞬态性质，基于测温的方法被认为是不适合的。2. 现有的一些改进方案Schwerdtfeger 等人配备了 Arcam A2 电子束-PBF 系统和 FLIR Systems A320红外摄像 机，处理分辨率为320X240像素。将相机与电子束枪一起以与粉末床成15的角度放置， 用硒化锌(ZnSe)窗口屏蔽以保护设备免于金属化。在熔化之后及在下面的粉末层被扫过 之前快速拍照，将该图像与研磨样品的光学图像进行比较IR图像的分辨率是有限的，但 是与发现的空隙相关-表明较高热辐射的区域对应于材料缺陷。通过随后的锐化和改变图 像的对比度来提高图像质量。尽管自动化过程需要通过实施闭环系统从检测到修复来进行， 这种视觉成像设置可以了解随着构建的进行缺陷将如何在层与层之间传递。Rodriguez等 人将IR相机结合到Arcam电子束-PBF机中，如图8 (a)所示，以便分析每个构层的表面 温度分布。此外，此信息用于修改之后图层的构建设置。选择FLIRSystems SC645高分辨 率(640X480像素)红外摄像机集成到Arcam A2 中,其测量温度范围可以达到2000C。安 装红外摄像机需要进行大量的机器改装，包括用ZnSe玻璃代替以前的摄像机,安装保护挡 板，保护ZnSe窗口，以及安装气动致动器以激活挡板。可以用手动分析图像 测量从表面 发射的辐射、来自物体的辐射、来自环境源的反射辐射和来自大气的辐射，并将其转换为 相对温度读数。在加工期间由“过度熔化”引起的材料不连续性可以从所产生的IR图像中 识别出来，如图8 (b)所示8. 其他的方法(1) 中子射线照相使由LiF / ZnS闪烁体产生，将中子转换成光，然后可以由CCD相 机检测(2) LU (激光超声波)使用激光来产生和检测超声波，并且可以用于检测材料不连续 性，用于材料表征和确定材料厚度。脉冲激光用于产生超声波，并且当波到达检 测点时，用连续波激光干涉仪检测小表面位移。LU是非接触式的，可用于弯曲或 难以接近的区域，使其适用于AM。(3) 超声波测试可以有效地检测材料的缺陷，厚度，粒度，密度/孔隙率和机械性能， 但是由于接触超声波不能在500K以上工作，其使用仅限于超声波固结(UC)的原 位检查，而且测量系统对表面光洁度和颗粒噪声高度敏感。(4) X射线反向散射技术(XBT)适用于检查AM部件，因为它不易受表面粗糙度的影响。 由于X射线源和检测器位于物体的同一侧，因此可以容易地对大结构进行测试；实 时成像允许递归扫描。采用XBT的突出挑战包括制定标准和程序，高扫描速度所 需的大型设备以及定制X射线源的有限可用性(5) 非直接的无损探伤方法:热分析和光学分析，没有原位和在线测量(用于选择性激 光烧结)，不能直接获得缺陷的尺寸和特征。可以基于对熔池的监测情况进行分析 推断缺陷的信息。在镍基合金的零件制造中，使用温度记录(由红外摄像机检测 得到)用通过检测冷却速率而获取的小于100m的缺陷来对零件构造进行分析(6) 直接检测技术研究零件原位的物理现象。选择性激光烧结制造中，在搭建平台的 下方安装一个超声波传感器来对零件的构造进行探测。这种检测方法提供的缺陷 的尺寸和位置信息很有限，只提供在加工过程中所检测出的缺陷所在的层数。关 于选择性激光烧结的光学断层成像检测技术(OCT)的研究表明用表面和表面下的 信息来实现工艺检测是可行的。波长低至9 口 m的表面缺陷和粗糙度都可以被分辨 出来，烧结材料表面之下低至200 口 m处的材料松动也可以被检测到。尺寸大于100 口m的表面缺陷可以被检测到(7) 非直接非原位零件检测技术：X射线计算机断层技术(XCT)。用XCT技术对电子束 粉末融床样品的分析表明，其可以检测出120 口m以上的缺陷& AM质量控制未来发展方向(主要突破点)(1) 基于视觉和热计量解决方案在某种程度上解决了 AM的质量控制问题，但是具体 需要的是在相对大的区域(高达几平方厘米)上将3D结构以较高的空间分辨率表征出来的 能力。(2) AM测量任务越来越受物体面的光学基本原理限制，例如：空间分辨率和视场之 间的平衡；由于运动模糊导致的有效空间分辨率的损失；整个检查区域的光学性质的动态 范围。这些限制意味着整个表面的更快的“强力”测量对数据管理和分析提出了巨大挑战。(3) AM计量挑战的一个潜在解决方案是使用混合仪器,用相对低分辨率的传感器(例 如，基于相机的传感器)检测需要的区域，然后使用局部化的高分辨率传感器来“感应” 这片区域。在一些情况下，低分辨率传感器可以使用检测从感兴趣点(如划痕)的散射光 的方法，因此允许高分辨率检测而不需要成像。最后，需要开发用于处理当在相对大的区 域上测量到高分辨率图像时将产生的潜在非常大的数据集的方法。(4) 为了减小材料的不连续性而采用的对材料参数的实时识别和闭环控制受限于差的 空间分辨率，观察区域的有限性，高时间负荷(5) 要处理的数据太过于庞大。电子束选区熔化成形技术缺陷：基于SEBM成形原理，如果成形工艺控制不当，成形过 程中容易出现“吹粉”和“球化”等现象，并且成形零件会存在分层、变形、开裂、气孔 和熔合不良等缺陷。1. Ralph B. Dinwiddie, Ryan R. Dehoff, Peter D. Lloyd, Larry E. Lowe and Joe B. Ulrich. Thermographic In-Situ Process Monitoring of the Electron Beam Melting Technology used in Additive Manufacturing1) 橡树岭国家实验室用 ARCAM 电子束熔化技术，采用增材制造的方式直接由金属粉末 加工具有复杂几何结构的零件。尽管已经证实这项技术可以减少花费、减少加工间 隔时间、能够加工出采用传统加工技术不能加工出来的有复杂几何结构的零件，要 保证零件的质量却有很大的挑战。由于加工过程是材料一层一层依次沉积而成，可 以在不损坏零件的前提下对每一层进行检测。由熔池里的金属蒸发和凝结而在零件 内表面形成敷金属给现场过程监控带来了很大的困难。本研究提出了一个解决在电 子束融化制造过程中对加工室内的情况连续成像的办法。这里使用了一个不断移动 的聚酯亚胺薄膜胶卷盒。结果与现场过程监控技术及其对机械性能和加工可靠性的 提高有关。2) 本文描述了一种温度记录图的方式来对电子束融化加工进行监测的方法。 电子束融化加工技术是由瑞典的 ARCAM 公司提出的，整个加工过程在为加热的真空 室(也称作构建室)里进行，如图 1 所示。加工室的顶端是一个由计算机控制的电 子枪， 可以产生足够的电流来对所选区域的金属进行融化。零件最终在真空室的工 作平台上一层一层成形。加工平台可以以很小的距离下降，在加工过程中，其下降 的高度就是零件每一层的厚度。在加工刚开始时，平台降低50um，将一层金属粉 末用粉末耙刷到平台上将其上方的空间铺满。然后用一束低电流未聚焦的激光束对 这一层粉末均匀预热，预热温度略低于金属的融化温度。在预热阶段金金属粉末会 弱烧结在一起，使单个的金属颗粒在随后的融化过程中能保持原来的位置。预热之 后就是融化阶段了，用一束高电流聚焦的电子束在金属粉床上的第一层烧结出加工 图案。熔融的金属就被之前预热烧结的金属限制在原来的位置并且迅速固凝固。然 后加工平台下降一层再铺上一层金属粉末。降低平台，铺粉，预热和融化烧结过程 连续进行直到加工出所需的零件。当真空室打开时，零件嵌在烧结的金属粉末中间。 将这个整体放在喷砂器内，该喷砂器使用与喷砂介质相同的金属粉末。这样，零件 上的固结金属粉末很容易就可以清理下来。将固结的粉末回收，过滤然后在下次加 工时循环使用。因为电子束融化加工是一个快热过程，用高速红外相机对加工过程进行检测是很有 意义的IR相机可以量化电子束焦距尺寸，检测孔隙率，研究电子束与粉末之间的 相互作用。最终IR相机可能会成为在构建过程中保证零件质量的闭环反馈控制系统 不可分割的一部分。对在电子束融化加工过程中粉床，固体零件及熔池温度的精确 测量对于加工过程的控制及模型的验证和发展会非常有用。为了实施热成像仪加工 过程监测技术，图像必须通过两个观察窗采集，然而在零件的构建过程中会有自由 的金属原子从融化的金属粉末中释放出来，这些原子会覆盖在观察窗的表面使其变 得不透明。将聚酯亚胺薄膜胶卷筒放在真空室中，来防止金属凝结在石英玻璃窗上， 在石英玻璃窗上再放一块铅玻璃来隔绝 X 射线。这种无快门照相机检测系统可以得 到电子束与金属粉床相互作用的连续IR图像。第二个观察窗放在真空室门口并装上 一个机械快门，这种观察窗只能对融化过程中低熔点的金属粉末进行很短时间的监 测。