論金屬3D打印的重要性 大神Sigma Labs給出合理解釋
3D打印技術(shù)越來越先進(jìn)，3D打印材料越來越多，3D打印機(jī)的研發(fā)越來越廣。這三者其中之一，金屬3D打印質(zhì)量，一直是一個老生常談的問題。雖然金屬3D打印技術(shù)面市不是很長時間。但是關(guān)于他的金屬3D打印質(zhì)量也存在一定的爭議，今天就來看看3D打印領(lǐng)域的大神Sigma Labs如何給出對保證金屬3D打印質(zhì)量更好的合理解釋。
雖然金屬3D打印技術(shù)在制造業(yè)有著很大的發(fā)展空間，但仍有許多問題阻礙了它的廣泛使用。除了金屬3D打印機(jī)的成本較高之外，還有一個很大的問題是打印的可重復(fù)性和質(zhì)量控制，特別是涉及到像直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）這樣的粉末床工藝時，這個問題更為突出。在打印過程中，由于零件支撐結(jié)構(gòu)的布局和減小其剩余壓力所引起的變化，打印機(jī)操作者或工程師可能要多次打印才能得到最終想要的效果。
因此，許多公司正在努力控制打印環(huán)境來可靠且可重復(fù)地生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)零件，由洛斯阿拉莫斯國家實驗室的前工作人員成立的Sigma Labs公司就是其中之一。該公司一直在為粉末床金屬3D打印工藝開發(fā)質(zhì)量控制硬件和質(zhì)量控制軟件。
作為美國官方3D打印創(chuàng)新研究機(jī)構(gòu)America Makes的成員，Sigma Labs一直在與國防和航空航天制造領(lǐng)域的知名公司，如GE和Honeywell，進(jìn)行高水平的3D打印項目合作。GE和Honeywell已經(jīng)開始在自己的內(nèi)部機(jī)器上測試Sigma Labs獨有的過程質(zhì)量保證（IPQA）軟件。
“在與波音公司的共同努力下，我們的質(zhì)量保證軟件終于投入使用。六年前，波音正在為他們的787 Dreamliner進(jìn)行鈦合金線性摩擦焊接。當(dāng)時我們?yōu)椴ㄒ艄狙邪l(fā)的技術(shù)形成了今天質(zhì)量保證軟件（the quality assurance software）的基礎(chǔ)。”Sigma Labs的CEO Mark Cola說，“此后多年，我們跟波音公司一起開發(fā)這款軟件，但被應(yīng)用到了不同的制造工藝上。”
Sigma Labs開發(fā)的質(zhì)量保證軟件可以被應(yīng)用到許多制造工藝上，包括其他形式的3D打印。
事實上，Cola說Sigma Labs已經(jīng)在Arcam的電子束熔融3D打印技術(shù)上成功地實施了PrintRite3D，然而現(xiàn)在Sigma Labs的開發(fā)重點是DMLS。
目前，PrintRite3D由三個云軟件模塊（INSPECT 、CONTOUR 和ANALYTICS）和一個硬件包（SENSORPAK）組成。硬件包可由Sigma Labs授權(quán)單獨使用。
SENSORPAK包括一系列傳感器和一個整合到3D打印機(jī)上的計算機(jī)接口以監(jiān)控打印過程。
INSPECT 模塊監(jiān)測3D打印機(jī)打印室的溫度，來提供可操作的冶金數(shù)據(jù)。
CONTOUR 模塊處理零件的可視化數(shù)據(jù)，以提供有關(guān)零件的幾何信息。
仍在開發(fā)中的ANALYTICS模塊會把來自多臺機(jī)器和多個零件的所有信息聯(lián)系在一起，即時為一家公司提供全局的打印、產(chǎn)品和打印機(jī)數(shù)據(jù)。
PrintRite3D工作流程先讓SENSORPAK在打印過程中收集大量的熱歷史數(shù)據(jù)和成像數(shù)據(jù)，然后再執(zhí)行數(shù)據(jù)還原，完成后會把數(shù)據(jù)發(fā)送給云應(yīng)用。云應(yīng)用收到數(shù)據(jù)后會對其進(jìn)行處理分析，之后再將數(shù)據(jù)傳送給機(jī)器操作員。操作員據(jù)此來確定打印過程中的打印質(zhì)量。
INSPECT 模塊和CONTOUR 模塊提供了許多必要的過程質(zhì)量保證，特別是打印對象的冶金和幾何數(shù)據(jù)。機(jī)器操作員也可以和Sigma Labs一起來為每種材料和和每種零件確定一個標(biāo)準(zhǔn)的打印和打印過程。這樣，在打印過程中，打印對象就有了一個參照標(biāo)準(zhǔn)，以此來保證正在被打印的零件是合格的。
“打印時，你需要一種途徑，以確保正在被打印的對象是符合設(shè)計意圖的。”Cola指出，“這個途徑就是制定一個標(biāo)準(zhǔn)，且這個標(biāo)準(zhǔn)永遠(yuǎn)不會改變，其他一切都將以此為準(zhǔn)。在設(shè)計模型時，你用我們的傳感器和軟件應(yīng)用來制定一個標(biāo)準(zhǔn)，然后再用我們的數(shù)據(jù)庫來將這一標(biāo)準(zhǔn)存檔；當(dāng)你在進(jìn)行產(chǎn)品測試時，還會繼續(xù)參考這個標(biāo)準(zhǔn)。
在3D打印中，質(zhì)量保證是必要的。在打印最終使用零件前，其設(shè)計首先會經(jīng)過多次試驗和錯誤測試，同時機(jī)器操作員會決定打印參數(shù)。然而，確定零件是否達(dá)標(biāo)的質(zhì)量保證方法往往昂貴而耗時，甚至具有破壞性。
這些方法包括破壞性測試，在這種測試中，操作人員會毀壞零件來測量其物理性能以及它是如何承受各種壓力的；當(dāng)然也有非破壞性測性技術(shù)，如X射線或超聲波測試。破壞性測試檢查得十分徹底，非破壞性測試卻可能無法檢查使得3D打印變得如此有價值的復(fù)雜內(nèi)部幾何形狀。
“公司一般采用計算機(jī)斷層掃描。”Cola說，“你可以想象那樣成本得多高。對于那些非常復(fù)雜的設(shè)計，我們有一些客戶，他們每花一美元來制作零件，就得花四到六美元來檢查它，確保零件正確的成本太高了。因此，他們十分希望制造和檢查能同時進(jìn)行。”
Cola指出，IPQA是一種用來確定零件質(zhì)量和檢查零件是否達(dá)標(biāo)的更有效的方式，且成本可能會更低。隨著3D打印用戶對這項技術(shù)越來越有信心，IPQA 可以開始取代一些在零件打印完成后才對其進(jìn)行檢查的質(zhì)量保證方法。
Sigma Labs公司CEO Mark Cola
最近采用Sigma Labs的IPQA系統(tǒng)的制造公司是Woodward。Woodward主要為航空航天制造商，如GE、普惠、勞斯萊斯和霍尼韋爾（Honeywell），提供燃料電路和燃料噴嘴等零件。
Cola解釋說，“今年秋天，Woodward將安裝他們的第一臺內(nèi)部金屬3D打印機(jī)，他們想在這臺機(jī)器使用的第一天就安裝上我們的質(zhì)量保證軟件。”目前，Woodward已加入Sigma Labs的早期采用者計劃（Early Adopter Program），Woodward將評估PrintRite3D的軟件模塊。
為此，Woodward將在一臺新的EOS M290 3D打印機(jī)上安裝PrintRite3D。
Sigma Labs仍在繼續(xù)與公司合作來提高自身產(chǎn)品，同時擴(kuò)大影響。除了上述航空公司外，它還在與EOS、通快（Trumpf）等3D打印機(jī)生產(chǎn)商合作，直接將PrintRite3D應(yīng)用到他們的機(jī)器上。軟件方面，Sigma Labs已經(jīng)在與Materialise合作，將PrintRite3D直接嵌入Materialise的3D打印自動化與控制系統(tǒng)Streamics上。
Sigma Labs目前也在與質(zhì)量控制領(lǐng)域的另一家公司3DSIM合作開發(fā)聯(lián)合產(chǎn)品。Cola說，3DSIM致力于質(zhì)量控制的前端，而Sigma Labs則與其相反，專注于后端，即打印過程中的質(zhì)量保證和統(tǒng)計控制。
Cola真正想實現(xiàn)的是一個過程質(zhì)量控制機(jī)制，一個閉環(huán)反饋回路，以糾正打印過程。為了得到一個閉環(huán)反饋回路，Cola認(rèn)為首先應(yīng)該建立過程監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集。
通過與所有這些公司合作，Sigma Labs已經(jīng)將它的解決方案融入到3D打印行業(yè)的方方面面，從最終用戶如GE到制造商如EOS和軟件開發(fā)商像Materialise。為了實現(xiàn)徹底閉環(huán)，Cola說Sigma Labs也已經(jīng)成立了一個3D打印服務(wù)部。在這個部門，Sigma Labs可以與客戶一起設(shè)計、測試、打印零件并確保其達(dá)標(biāo)。客戶既可以將PrintRite3D內(nèi)化成第三方服務(wù)部，也可以讓Sigma Labs為他們3D打印零件。
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最終，Cola看到IPQA不僅被應(yīng)用到3D打印行業(yè)，還被應(yīng)用到其他制造領(lǐng)域。他解釋說，“隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的興起，所有這些制造機(jī)器都需要一臺邊緣計算機(jī)。它也許是我們的SENSORPAK，但里面可能會有不同的傳感器，因為這是一個不同的過程。”
換句話說，在不久的將來，PrintRite3D可能會提高3D打印。但從長遠(yuǎn)來看，類似的過程質(zhì)量保證技術(shù)可以應(yīng)用到各種類型的先進(jìn)制造設(shè)備上。
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