让每个零件都合格!增材制造之前、中、后测量的奥秘 

由 3D科学谷 发布于 2020-10-28 11:14 

3D打印行业研究 /[研究] /转载 3D科学谷
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谈起市场定位,这是每一家企业立足于市场首先要思考的。这其中包括如何聚焦。每家企业的资源都是有限的,要想获得清晰的市场形象,聚焦是迈向成功的起点,聚焦是第一步要做的功课,通过聚焦成就竞争优势,形成强大的品牌影响力,减少发展阻力,以点切入获取独特的竞争优势。

VELO3D的市场定位相当清晰:设计自由,敏捷生产和质量保证,这些是VELO3D通过技术打造的独特的市场定位。本期,3D科学谷与谷友共同来领略,在质量保证这个点上,VELO3D是如何确立其竞争优势的,并探讨国内3D打印企业发展的破局思路。
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要透视VELO3D的发展,我们不妨拿苹果公司在其iPhone手机上的创新来理解。苹果公司在推出iPhone手机之前,大家已经习惯带键盘的手机,似乎这是手机的标配。然而,苹果公司通过软件的方式在触摸屏上呈现了可以输入文字的键盘,从而简化了手机的外观,且实现了更友好的操作,从而开启了手机进入智能化的新篇章。

软件与软件之间存在竞争,硬件与硬件之间存在竞争,这似乎是每个人都知道的。然而,我们似乎从来没有意识到软件的进步可以部分替代硬件的配合这一发展趋势。某种意义上,软件可以实现跳跃硬件的束缚,释放更大的自由度。

产业化挑战

虽然3D打印-增材制造在批量生产方面的潜力巨大,然而现在的增长在很大程度上取决于定量质量测量和建立可靠的机器校准方法。如果无法在关键任务应用程序中或大中型订单充分理解和信任3D打印行为,那么即使增材制造的成本效益不断提高,这一技术也难以获得规模化应用。

一边是增材制造可以实现惊人的产品复杂性,并可以通过重塑设计来优化产品性能,这吸引着每一家致力于创新的企业投入其中;一边是困扰着业界的质量一致性问题,如何确保第一个产品和第100个产品是相同的?

预构建校准

金属增材制造的预构建校准标准和方法正在不断发展。NASA、ASTM、SAE、AWS和API等都在不断完善其要求。不过设备从出厂安装调试完到使用一段时间后,其硬件条件本身也随着设备的使用发生了一定的变化。

在这方面,美国国家航空航天局(NASA)准则MFSC-SPEC-3717(于2017年编写)指出:“校准只有在连续维护时才有效,出于实用原因,在预构建的基础上确认校准是不可行的。校准间隔(至少每90天)被设置为生产效率和过程保证之间的折衷。”不过,从操作性角度来看,这一过程不仅所需时间长,较多依赖人工经验,且无法实现实时校准。

根据3D科学谷的观察,VELO3D 通过软件改变这一状况,VELO3D 在其金属3D打印系统中提供了预先构建的校准功能,可以简化并自动进行打印设备光学系统的原位校准。VELO3D 的技术可以实现在构建之前测量各种指标,包括光束稳定性、激光对准和聚焦等。增材制造的最终用户只需按一下按钮即可运行光学校准,而无需任何外部测量设备和复杂的人工手动校准过程。
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3D打印的热交换器。来源:VELO3D

同样重要的是,这种自动化过程可以捕获大量使用手动校准方法无法获得的数据。这些数据用于实时更新系统的校准表,并确保已按照规格制造给定的组件,也可以随着时间的推移进行编译,用于统计过程控制程序和其他质量管理系统。

加工中的质量控制

制造商已努力将摄像机和传感器放置在3D打印设备内部,以深入了解制造室内的实际情况,但是通常由用户自己来确定每个特定参数的阈值和控制极限。

以往虽然我们获取了很多数据,但是无法将这些数据建立为相互关联的数据集。理解数据的相关性,这是迈向更深入地了解如何构建高质量,可重复构建的第一步。

3D打印走向产业化的增材制造,必须取得更大的飞跃,并将数据科学与材料科学相结合,而不是依赖人类自身的经验和对加工过程的理解,将用户对制造过程的理解掩埋在数据中。

基于粉末床的金属3D打印过程中,光学对于金属粉末的微焊接工艺至关重要。现在,大多数工程师都熟悉每个层实际上都焊接在了下一层上。激光以极高的精度融化金属,上层与下层必须完美对准,并以正确的速度定向到正确的位置,以产生精确的厚度,从而形成高质量零件所必需的冶金工艺。

粗糙的表面和孔隙率可能是由于不良的工艺设计设置而导致的,也可能是由于光学设置较差而导致的。VELO3D面向下一代的增材制造系统可以在预构建阶段自动收集各种指标,从光束稳定性、激光对准、聚焦、惰性气体等。这样就可以建立控制极限,以指导系统性创建零件的各个方面。

激光的功率、设备温度、光束、惰性气体的变化等都对质量控制带来一定的挑战。然而,最新的质量控制系统不仅包括熔池计量,而且还包括高度图,该高度图根据床的位置对进行中的构建的每一层进行调查,并对标定和性能进行现场检查。所有这些数据都捕获在全面的构建报告中,以确保可追溯的质量。

VELO 3D的Assure™质量保证和控制系统具有直观的图表,使用户能够查看和解释在构建过程中收集的大量数据。根据VELO 3D,这些信息可帮助工程师验证构建过程中每个步骤的质量,并使其在出现问题时能够快速做出决策。确保可以帮助减少生产差异,提高产量并规避异常情况,以确保一致的增材制造结果。根据3D科学谷的了解,通过Assure系统监视3D打印构建过程的完整性,验证散装物料密度,观察正在进行的打印过程并验证跨多个生产运行的系统校准,Assure提供了产业化的基础。
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根据3D科学谷的市场观察,国际上和国内,不仅仅是VELO3D,不同的设备厂商均推出了自己的过程中质量控制解决方案。虽然其质量控制软件的名称各有不同,然而在加工中的质量管理方面,普遍采用的核心解决方案来自Sigma Labs。

Sigma Labs的核心实力在于感应器硬件与数据和软件的融合。

硬件方面,Sigma Labs传感技术-Sensorpak,是一个由声、光、热传感器、收集过程数据的全套系统。传感器记录的数据将建立过程文件,其中西格玛实验室工程师通过在洛斯阿拉莫斯国家实验室多年来在冶金和焊接的研究经验,能够从大数据中提取关键的质量记录,并通过结果特征还原关键过程的物理特征。

软件方面,根据3D科学谷的了解,通过Sigma Labs的PrintRite3D ® INSPECT ™软件,基于大量的生产大数据所形成的加工参数与产品性能之间的相关性,获取符合生产要求的零件所对应的加工参数作为“基准数据”。除非与零件的机械和冶金特性数据具有相关性,否则该加工参数的值几乎没有任何意义。这意味着首先必须产生大量的测试样本来生成这个属性数据,并将属性数据关联到加工参数的“电子签名数据”。从而在新的加工过程中将每一层的“电子签名数据”与“基准数据”相对比。

加工后的质量检测

零件的制造后检查已成为当务之急,例如通过染料渗透法测试、CT扫描或破坏性测试。尽管人们希望能够实现抽样检查,但是对于大多数当前的增材制造设备来说,全面检查是很普遍的做法。

根据高端装备发展研究中心,即使是X射线计算机断层扫描技术(CT),虽然非常适合评估部件的深层内部特征和属性,但仍有其局限性,即不能检测出垂直于x射线束的裂纹。然而NDE的方向是可行的,因为它优化了复杂增材制造部件的测试,并能实现标准化,同时由于其非入侵的方式,又具有潜在的成本效益与广泛的适用性。

VELO3D在疫情期间完成了4000万美金的融资,作为一家来自美国西海岸的创业公司获得总计1.5亿美金(超过10亿人民币)的融资。此前,Velo3D成功地获得了制造业中技术要求最高的合同之一,即向世界上最成功的私人火箭公司之一的SpaceX公司提供3D打印机。随后,VELO3D宣布获得其航空航天领域的一家客户2000万美金(超过1.4亿人民币)的订单。

VELO3D近日还推出了配备了8个1000W激光器的新设备Sapphire XC,φ600mm x 550mm,打印每个零件的成本可以降低75%,效率增加了500%。根据3D科学谷的市场观察,这是针对目前市场上主流的对600mm加工尺寸的产业化生产需求所打造的一款设备。

在这方面,VELO3D是一家软件驱动硬件的企业。这也预示着在不久的未来,能够存活在市场上的3D打印企业所需要的硬核实力中,软件是其中重要的一块。
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下一步,每一家制造业的硬件企业,都将转型为软件企业,否则在软件吞噬一切的未来世界,将寸步难行。

不仅仅是硬件厂商需要转型,应用端也需要更加成熟理性的用户。根据3D科学谷的市场观察,在国内,所有的国际和国内品牌都面临着同样残酷的价格竞争,用户在决策采购3D打印设备的时候,往往忽略了功能实现才是自己最终所关注的用户价值所在,而是将设备商的硬件参数放在一起做比较,在看似“同样”的设备配置基础上,往往单纯的去压低设备商的价格。这是3D打印应用端需要警醒的一个误区,更稳定更智能的设备是创造产品的基础,忽略设备的软性条件,这未免也将用户自身的制造需求引入了另外一种误区,对用户的自身发展也是极为不利的。

或许并非每一个3D打印企业都能够开发出类似于VELO3D这样的软件,这并非意味着国内的增材制造发展是充满悲观的前景,恰恰相反,在3D科学谷看来,国内的3D打印市场拥有其特别的机遇与前景。

首先,根据3D科学谷的市场观察,国际上正在出现更为通用的软件企业,为3D打印行业提供外部的支持。通过人工智能提供更可靠的过程控制,在这方面,包括以色列的printsyst,美国的addiguru,都是值得关注的企业。

其次,3D打印在各种不同领域的应用应该说是分层的,例如齿科、模具、医疗、航空航天、机械等不同领域对3D打印技术的要求是不一样的。在3D科学谷看来,中国的市场蕴含着巨大的机会,企业在发展的时候能够兼顾短期、中期的发展机会,懂得针对不同的市场需求并结合企业自身的资源与技术优势,进行适当的战略布局,是取得长足发展的关键。

最后,国内部分3D打印企业例如铂力特、先临三维,已经积累了一定的资源与影响力优势,在这个条件下寻求自主研发软件以及探索国际合作与收购之路,都具备了良好的基础。
来源:3D科学谷

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