智能化校准对粉末床激光3D打印零件质量有什么影响？
关于粉末床激光熔化（L-PBF）3D打印工艺质量控制技术的讨论通常围绕在高频、原位实时监控，以及人工智能算法的应用等领域。然而，通过该技术始终如一地制造高质量3D打印零件，还有一个容易被忽视的话题：激光校准。
粉末床激光熔化3D打印设备存在光斑尺寸漂移的可能，因此需要进行校准。但常见的激光校准流程较为繁琐，通常是需要每隔3到6个月通过外部引入校准技术人员，将3D打印机恢复到精确的工作状态。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。
随着粉末床激光金属3D打印技术的发展，激光校准方式也在不断优化，比较明确的是，软件将替代人工经验在这一领域中发挥着关键作用。本期，将以智能熔化金属3D打印系统制造商VELO3D所采用的自动化校准技术为例，分析智能化校准技术在实现高质量3D打印中所发挥的作用。
VELO3D 金属3D打印技术的特点。来源：VELO3D
软件正在“吞噬”一切
基于L-PBF工艺的金属3D打印系统中，激光器是重要的光学器件。在这一工艺中，任何给定零件都可以有成千上万层，逐层进行金属粉末的熔化。由于激光对准有漂移的可能，尤其是在需要较长打印时间的情况下，零件被分为数千层逐层进行激光熔化，能够证明在第一层有效的校准，可能在打印到数千层时已经无效。这个问题在多激光器3D打印系统中更为复杂，各个激光器之间的校准也必须保持一致。
如果激光器没有以正确的功率对准正确的位置并以正确的速度移动，则可能会影响3D打印零件的质量。
在第一层甚至前100层的有效校准，会在第8000层以后失效。来源：VELO3D
金属增材制造行业特定的标准还相对不成熟，许多标准组织（ASTM，SAE，AWS，API等）正在开发或完善其文档。美国国家航空航天局（NASA）是最早于2017年10月发布此类准则的组织之一，其准则是L-PBF的增材制造航天硬件标准（MFSC-STD-3716）和随附的L-PBF工艺控制和鉴定规范（MFSC-SPEC-3717）。
根据MFSC-SPEC-3717，“校准只有在连续维护时才有效，而出于现实原因，在每次构建前进行激光3D打印设备的校准是不可行的。较长时间的校准间隔是在生产效率和质量保证之间做出折衷的结果。”这一信息反映出，无法在每次构建前进行校准，使制造商不得不在生产效率和质量保证之间做出选择。
MFSC-SPEC-3717指定了几个指标，包括激光聚焦和对准指标，规定必须至少每90天进行一次校准，以使增材制造过程保持合格，并将该设备所生产的3D打印零件标记为合格。NASA的增材制造航天硬件标准并没有说明如何校准这些指标，但承认：“将有目的的标记激光打成平坦的实心板并根据指标评估标记（基于过去的性能）可能会提供足够的扫描头健康状况的证据。”
尽管这是进行激光校准的标准做法，但这种校准方法不仅耗时，而且还存在很大的不一致风险，由于几乎是人工手动的方式在完成这一过程，其中存在着许多固有的可变性。例如，为了校准激光聚焦，许多设备制造商要求将阳极氧化铝板放入构建室中，并小心地将其在构建平面上设置为与要打印材料的位置相同的高度（单位为微米）。将线烧入板中，然后取出并进行测量确定哪个轨道的直径最小，从而指示激光的焦点。在激光对准的情况下，一般需要再次在铝板或热敏纸上燃烧一系列的线。得到的结果有时需要发送到第三方进行光学坐标测量机（CMM）分析，生成校准文件，并发回给现场的服务工程师进行安装。如遇到需要多次进行迭代的情况，将显著增加校准时间，这一过程不仅依赖人工经验，而且会增加非生产时间，影响生产效率。
图中两个长方体3D打印样件是通过2台激光器分为三段打印的，低端和上端部分采用同一台激光器，而中间段是另外一台激光器打印的。左方样件为不采用自动校准时产生的结果，中间部分出现了非常明显的偏移；右方样件为使用原位自动校准功能时所得到的结果，样件的上中下三段是一致的。来源：VELO3D
自动化原位校准
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。
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。
VELO3D 金属3D打印机上的校准仪表板。机器健康状况得到持续监控，以确保粉末床质量，传感器和光学元件均已正确校准并处于最佳状态，并且不会影响零件质量。来源：VELO3D
精确的粉末层
除了L-PBF工艺中涉及的光学元件外，校准粉末床的质量也是影响3D打印零件质量的关键因素。粉末床的厚度和均匀度都必须精确，以确保激光适当地熔化每一层。如果粉末床太厚，则打印层可能无法完全熔化，从而导致熔合不足。如果太薄，金属可能会过热，甚至可能在熔池中蒸发。两种结果都会对所得零件的机械性能产生非常不利的影响。正确的校准对于提供精确的粉末层至关重要，如果光学器件也经过正确的校准，则粉末可以产生正确的焊接金属层。
与间隔90天需要进行光学校准不同的是，NASA 的增材制造航天硬件标准要求每180天校准一次粉末床质量。然而在任何给定的粉末涂覆过程中都可能出现错误，显然3D打印零件质量的控制无法依赖180天一次的粉末床校准。以往，很多3D打印系统通常没有定量方法来测量粉末床的质量和状态，而是采用对粉末床照片进行定性分析的方式，但这一方式无法提供出给定时间粉床本身状态的实际数据。
VELO3D 的金属增材制造系统进行检查，确保铺粉刮板在每次构建之前和构建过程中都能完成工作。此功能取决于高度映射器的度量系统，该系统实质上可测量粉末床拓扑，其z轴分辨率为15微米，x和y轴分辨率为100微米。这种真正定量的测量可确保由铺粉时输送的层在整个构建平面上的厚度和均匀性均在规格范围内。
构建进度屏幕显示与监视金属3D打印生成有关的重要统计信息摘要，包括进度和预估的完成时间、生成图像、生成ID和名称、平均吞吐量、中断、热图以及零件和生成属性。来源：VELO3D
VELO3D的解决方案是集成计量系统，可测量关键过程变量，然后自动重新校准机器。校准程序测量机器工作范围包括校准49个点的精度和一致性。只需按一下按钮，操作员就可以随时运行它。VELO3D的Sapphire 3D打印机还可在每次构建之前自动检查耗材的级别或寿命 – 例如过滤器，筛子和粉末供应 – 并在机器监视器上显示相关信息。
在多激光3D打印系统中存在的另一个问题是不同激光头的相邻表面之间的缝合质量。激光必须完美对齐，以创建光滑，无缝的表面。3D科学谷了解到，即使是50微米的差异也是可辨别的，并且可能不利地影响零部件的结构完整性。
此外，随着构建方向沿着垂直的Z轴前进，XY轴对准可能会漂移，因此必须进行过程跟踪并进行校正以确保整个构建的对齐。如果没有过程跟踪，可能会在最终的零部件产生严重缺陷，从而导致需要返工或额外的后期处理。
VELO3D的传感器系统实时解决了这个问题，通过在构建的每一层的工件表面上大约500个点处的相邻激光点覆盖过程中的监视，当检测到未对准时，系统会在控制系统中自动调整。这是一种手段，不仅可以使单个零部件达到更高的精度和表面质量，而且可以在多个零部件的加工中提高质量稳定性。
VELO3D 采用的自动化校准所带来的明显好处是，在产品质量出现问题之前，识别出金属增材制造系统中的问题，从而进行纠正。从本质上讲，使用增材制造工艺创建的零部件通常是昂贵的，而越晚发现质量问题，金属增材制造的成本就越高。通过工艺仿真、质量监控软件等智能化手段尽早识别并纠正影响打印质量的因素非常重要。
除此之外，VELO3D 的技术所带来的一个附加的好处是在每次构建之前都会对增材制造系统的关键参数进行校准，这一过程中创建了大量数据，这些数据可用于开发过程中控制软件。通过在每次建立光学系统状态，粉末床质量和其他参数之前收集数据，可以查看系统随时间推移的运行情况，并通过观察在实际达到控制极限之前趋于不合规格的情况，来预测机器何时可能需要进行预防性维护。
当然，用于自动化校准的软件对于L-PBF 3D打印工艺最重要的意义还是在于提供更高质量的3D打印零件。NASA MFSC-STD-3716 标准中曾描述到：“在关键领域中使用粉末床激光熔化3D打印部件的最大潜在风险的局限性在于无法验证单个零件的完整性。” 而VELO3D 通过软件所实现的在每次构建之前进行校准的能力，则有助于解决这些问题，为其金属3D打印技术实现更广泛的生产级应用奠定基础。
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