但是由于国内外尚无增材制造用金属铬粉直接相关的国际标准、国家标准或行业标准可依，所以就没有相应统一的标准要求和检验验收规范，导致各生产厂家制粉工艺也不完全一致，产品参数不在同一基准上，从而给产品的生产和评价带来不便。

根据 的了解，拜恩检测为国内某材料企业检测了其研发的金属铬粉的各项性能，并在近日发布了这项检测的五个关键性能检测方法及标准依据。这些信息对推动增材制造金属铬粉末材料的发展及标准的制定，具有一定参考意义。

© 拜恩检测

国内某材料企业研发的增材制造用金属铬粉主要制备方法为等离子体球化法，该方法利用感应线圈产生的电磁能将通入其中的气体(一般为氩气)电离，它是通过电磁感应的方式来产生的等离子体，故可以制备出洁净的球形粉末颗粒。此外，由此产生的等离子体具有高温(温度高达10000K)、高焓、高能量密度等特点，可以为物理化学反应提供一个高温的反应环境，利用这一特点使得在球形粉体制备领域发挥更大的作用。

等离子球化制备球形粉末技术是利用其高温特性，将任何被送入其中的颗粒经过对流、传导、辐射、化学四种传热机制的作用，在表面张力和快速急冷的共同作用下迅速收缩成型，成型的粉末颗粒流动性明显提升，具有分散性好、球形度高等特点，从而能够有效地促进球形铬粉在增材制造领域中的应用。

 依据标准分析

由于没有直接的国家标准可依据。拜恩检测参考了金属铬、金属粉末及增材制造相关的标准要求， 在综合了多方面资料后，推荐可参考如下标准，对金属铬粉进行检测。

• GB/T 3211-2008 《金属铬》
• GB/T 35022-2018《增材制造主要特性和测试方法零件和粉末原材料》
• GB/T 1480-2012 《金属粉末干筛分法测定粒度》
• GB/T 19077-2016 《粒度分布激光衍射法》
• GB/T 1479.1-2011《金属粉末松装密度的测定 第 1 部分：漏斗法》
• GB/T 5162-2006 《金属粉末振实密度的测定》
• GB/T 1482-2010 《金属粉末流动性的测定 标准漏斗法(霍尔流速计)》
• GB/T 4702.6-2016《金属铬 铁、铝、硅和铜含量的测定 电感耦合等离子体原子发射光谱法》

 检测项目确认

参考GB/T 35022-2018《增材制造主要特性和测试方法零件和粉末原材料》。增材制造用金属粉末原材料主要可检测：粉末粒度及分布、形状或形态、比表面积、松装或表观密度、振实密度、流动性、灰分、氢氧氮碳和硫含量、熔融温度火玻璃化转变温度等。在与该材料企业技术人员充分沟通以后，最终决定检测该铬粉的化学成分、粒度、松装密度、振实密度、流动性五个关键项目。

1. 化学成分

金属铬的各元素的化学成分要求可以依据GB/T 3211-2008来执行。当然有些厂商为了确保增材制造用金属铬粉后续成形制件的综合性能达到设计要求也会制定自己的产品化学成分要求。具体科根据检测方的要求来执行。化学成分分析的检测方法可以依据GB/T 4702.6-2016《金属铬 铁、铝、硅和铜含量的测定 电感耦合等离子体原子发射光谱法》来执行。

2. 粒度分析

此次检测的增材制造用金属铬粉主要通过等离子球化法制备，一般通过标准筛分进行粒度分级。同增材制造工艺对粉末粒度分布的要求不同。该企业将粉末分为三类：Ⅰ类适用于选区激光熔融增材制造工艺，粒度范围为15～53μm；Ⅱ类适用于电子束熔化增材制造工艺，粒度范围为45～150μm；Ⅲ类适用于激光能量沉积增材制造工艺，粒度范围为30～4250μm。粒度检测按照GB/T1480《金属粉末干筛分法测定粒度》和GB/T19077《粒度分布激光衍射法》的规定执行。

3. 松装密度检测

粉末松装密度是粉末在规定条件下自由充满标准容器后所测得的堆积密度，即粉末 松散填装时单位体积的质量，是粉末的一种工艺性能。松装密度是粉末多种性能的综合体现，可以反映出粉末的密度、颗粒形状、颗粒表面状态、颗粒的粒度及粒度分布等，对产品生产工艺的稳定性以及产品质量的控制都有重要的影响。通常情况下，粉末颗粒形状越规则、颗粒表面越光滑、颗粒越致密，粉末的松装密度会越大。较高的粉末松装密度有利于增材制造工艺的设置和优化，并确保增材制造最终产品致密度达到目标产品要求。松装密度应不小于 4.0g/m，检测可按照 GB/T1479.1《金属粉末 松装密度的测定 第 1 部分：漏斗法》 的规定执行。

4. 振实密度检测

振实密度是粉末在容器中经过机械振动达到较理想排列状态的粉末集体密度，其相对于松装密度主要是粉末多种物理性和工艺性能的综合体现，如粉末粒度及其分布、颗粒形状及其表面粗糙度、比表面积等的综合体现。一般来说，振实密度越大，说明粉末的流动性能越好。振实密度应不小于5.0g/cm3，检测可按照GB/T5162《金属粉末振实密度的测定》的规定执行。

5. 流动性检测

粉末流动性是指以一定量粉末流过规定孔径的标准漏斗所需要的时间来表示，通常采用的单位为s/50g，其数值愈小说明该粉末的流动性愈好，它是粉末的一种工艺性能。粉末流动性能与很多因素有关，如粉末颗粒尺寸、形状和粗糙度、比表面等。一般地说，增加颗粒间的摩擦系数会使粉末流动困难。通常球形颗粒的粉末流动性最好，而颗粒形状不规则、尺寸小、表面粗糙的粉末，其流动性差。另外，粉末流动性受颗粒间粘附作用的影响，颗粒表面水分、气体等的吸附会降低粉末的流动性。粉末的流动性对粉末冶金成形、增材制造制件性能影响很大。产品流动性应不大于 20s/50g，检测可按照GB/T1482《金属粉末流动性的测定标准漏斗法(霍尔流速计)》的规定执行。

在增材制造中，原材料的性能会极大的影响到最终零件的成品特性。增材制造用金属铬粉的研发和应用对其行业发展和推动具有重要的作用。虽然我国尚未出台相关的标准规定，但是市场需求已经形成一定的规模，像类似这项检测中的产品实际已经到了大规模投产的阶段。所以相关指标、采样、制备、检测方法等规范化，除了委托检测机构给出专业方案外，还亟待一份权威的国家标准来指导约制。

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工业计算机断层扫描（CT）是一种无损检测（NDT）技术。许多增材制造用户已采用工业CT 技术对3D打印零件进行无损检测。在本期文章中， 将通过工业CT系统制造商YXLON 对增材制造CT 检测在增材制造整个工艺链中的发展洞见，来感受检测技术所发挥的生命线作用。

混合部件的系统孔隙率，该部件由金属铸造的底座和上方增材制造两部分构成。CT 扫描提供了对两种不同工艺制造的金属相互依存关系的深刻见解，这些工艺可被相应地调整，从而消除导致孔隙的根本原因。
©Fraunhofer IWS研究所/YXLON

 增材制造工艺中的CT 检测技术

如今，快速发展的增材制造技术以制造复杂结构的能力改变着工程师们思考产品设计的方式。对于高要求的功能零部件，粉末床激光熔化（L-PBF）成为目前最主要的金属增材制造技术。近两年，以粘结剂喷射技术（BJT）为代表的间接金属3D打印技术，通过大幅降低成本来开发新应用，提高了制造用户对3D打印技术的期望值。

在传统制造模式下，产品的设计受限于制造技术。而增材制造技术将生产设计带到了新的水平，可生产更复杂的形状和内部特征，制造功能集成的一体化零部件，减少了对于零件组装的需求。在新模式下，设计开始推动生产。

增材制造的主要优势之一是实现复杂设计。然而，这种设计自由度极可能伴随着妥协，因为越是错综复杂的结构越难进行质量检查。这是CT扫描这样的无损检测技术的用武之地。

CT 扫描可生成三维体密度图。三维（3D）体是由大量二维（2D） X射线图像重建产生的。许多 2D 投影图像可以通过强大的软件进行组合，以生成几乎任何零件、对象或产品的三维体。这一技术对于增材制造零件检测与质量评估方面是非常重要的，因为CT 扫描技术可以在不损坏零件的情况下，检测内部结构，而具有内部复杂结构是很多增材制造零件的特点及有别于传统零件的优势。

CT 已被增材制造工厂广泛作为一种无损检测工具，但是从增材制造整个工艺链来看，CT 扫描可以提供更多有价值的数据与信息，在整个增材制造工艺过程中提供帮助，包括对零件和原型进行无损检测以及进行研发工作。在进行仿真模拟时使用CT 扫描数据能够帮助验证工程设计和性能，从而保证零件适合其用途，并为设计概念符合预期提供证据。

此外，CT扫描的高级数据有助于高效进行分析与快速的编程。设计工程师处在一个对时间要求高的工作环境中，快速、准确的数据是至关重要的。CT扫描的大部分检测报告可在收到物品的同一天完成。

在线监测数据与 3D 打印支架CT 扫描数据对比图。CT 有助于将监测数据与实际零件质量参数相关联。
©Fraunhofer IAPT 研究所/YXLON

 CT 作为质量保证工具的优势

CT 扫描能够帮助制造商解决增材制造商面临最具挑战性的无损检测问题。一些来自粉末床熔融金属增材制造工艺的典型缺陷，例如孔隙率、缺乏融合、球化（来自液态金属的表面张力）、过度的表面粗糙度和微观结构问题都可以通过 CT 检测到。而识别出这些问题则能够减少时间，提高生产力。

另外，对于增材制造而言，查看零件内部结构的能力至关重要。用于工业CT扫描的软件程序支持从CT数据集中进行测量渲染。

增材制造零件的其他检测挑战，包括密度变化、嵌入特征、有机部件设计、异种金属或材料和表面光洁度，CT 扫描能够在有限的时间内扫描并解决这些问题。增材制造用户能够以不损坏零件的方式，对零件内部进行可视化。

用于火箭发动机试验台的增材制造测量探头
©RSC Engineering GmbH/YXLON

 助力产品研发，优化制造工艺

随着CT 扫描在增材制造领域应用的深入，其作用开始从工艺链后端的零件制造阶段向工艺链的前端延伸，即从作为一种制造后的质量检测工具，向早期产品研发阶段的信息工具延伸。

设计工程师如果需要了解一个设计在后续的生产中表现如何，则需从最开始进行准备。设计工程师在开发过程中面临的最大挑战之一是确保最终部件具有良好的性能。从材料科学的角度来看，这可能是增材制造的最大挑战。以粉末床金属3D打印为例，粉末材料的不完全烧结，残余应力都可能导致零件出现内部缺陷。

相对而言，增材制造仍是一种较新的制造技术，研究人员仍在努力了解它的许多不同方面，比如说不同材料如何一起工作，以及如何降低最终零件的缺陷。工业 CT 可作为数据工具，用户可以测试材料并事先进行材料模拟。这将解决许多这些问题并优化制造工艺。从中获得的信息从 CT 数据可以有效地转移到工厂生产线，降低成本、风险和制造时间。

直升机曲柄仿生设计
©利勃海尔航空/YXLON

以直升机增材制造曲柄为例，该设计目的是减少原始设计的重量，增加扭转和弯曲刚度。面向增材制造的设计，很好地表明了金属3D打印在零件优化上带来的可能性。但是仅靠二维的X 射线技术无法获得这一设计的内部结构及检测和衡量其质量。而此时CT 检测数据可用来判断设计的完整性是否有在产品原型过程中受到影响。

在设计中，使用 CT 作为数据工具将在以下环节中发挥作用，使增材制造生产过程更顺畅：

概念证明-CT扫描数据仿真有助于验证当使用最终打印参数完成开发和生产时，设计是否将能够正常运行并达到预期的效果。

设计验证-CT 还可以在预期或指定的操作条件下模拟和确定设计的有效性，以适应其预期目的。

测量-CT 扫描技术的一大进步当属在单个步骤中，进行零件扫描和计量测量。这在产品研发阶段很重要，因为在单一步骤中完成这些任务所带来的时间节省是明显的。CT 扫描数据可与CAD 模型进行比较，两个CT扫描数据之间也可以进行比较，这有助于确保生产精度。

机械仿真-仿真可以帮助预测所使用的原材料是否会按照零件设计所预期的方式发生反应。机械仿真（FEM 仿真）既可使用CT 数据丰富计算 CAD 模型的方式来执行，也可以进使用CT 数据来执行。工程师可以模拟失效或缺陷，这在研发阶段是非常重要的。在设计的早期发现零件存在的缺陷，相比后面再发现问题，将节省时间与成本。现在，业界已研发出一套能将CT图像数据转换成有限元模型的流程，可用于预测成品部件的机械特性。

原材料的差异-原材料的差异会导致最终产品的质量下降。粉末不同的晶粒尺寸会导致缺陷，例如作为分层而内部的孔隙/气体包裹体颗粒会在成品中产生空隙或缺陷。

表面处理-CT 扫描技术可以使工程师看到零件内表面的粗糙度，以便对精加工质量做出假设。

增材制造样件：零件内部残余应力导致裂纹
© Fraunhofer IWS / AGENT-3D e.V./YXLON

残余应力-在某些增材制造过程中，零件会因构建过程的加热和冷却而反复膨胀和收缩。这种反复加热和冷却会导致残余应力，结果表现为裂纹，翘曲和其他形式的变形。开发阶段的 CT 分析可以为最终设计中使用的材料，以及应避免使用什么或做什么提供有用的信息。

微观结构不均匀性和各向异性-增材制造工艺提供了创建具有复杂形状金属零件的能力。然而，这些过程的复杂、不均匀的温度历史导致材料具有复杂的各向异性微观结构。

密度变化-衡量增材制造零件质量的参数之一是密度，因为它会影响产品的机械强度。其他方法肯定可以提供有关被测部件密度的准确信息，而 CT 允许工程师更深入地分析零件内哪里的密度变化占主导地位。这有助于了解和调整生产过程，并可以揭示最终产品中的潜在弱点。

CT 与软件技术相结合，为使用 CAD 对复杂几何形状进行高效分析协助选择基于关键特征的数据提供了工具。选择关键特征分析数据的能力，有助于改进和验证复杂零件制造新工艺。

除了检查和质量控制之外，CT 扫描还可以帮助进行逆向工程。使用CT 扫描，工程师可以查看内部几何结构和材料密度。这些 CT 扫描收集的数据使了解特定零件的功能或是否满足必要的规格变得更加简单。

基于CT 扫描数据，还可对3D打印零件的 CAD模型进行预测试和验证。

 发展中的工业CT 技术

虽然以CT 为代表的无损检测技术发挥着生命线的作用，但仅凭着检测所获得的数据是远远不够的，数据是死的，需要有算法来挖掘数据的价值。基于数据可以构建加工过程参数优化，可以通过系统研究不同参数设置对所需结果（孔隙率，表面光洁度等）的影响来完成。当然，要实现通过检测数据提高对工艺的控制，还有很长的路要走。在 看来，这其中不仅仅包括基于大数据的算法能力的挑战，还包括对检测技术精确度和速度的挑战。利好的是，根据YXLON的洞见，CT 检测技术在精度和速度方面的都获得了发展。

人们普遍认为 CT 扫描太慢了。不过，在过去几年中 CT 扫描设计和技术的进步已经提升了CT 扫描的速度，如今CT扫描设备在提高速度和效率方面取得了长足的进步。过去需要数天或数周才能完成的工作，现在可以在几分钟或几小时内完成。此外，严格的设计和生产标准使系统能够经受住大量使用的严酷考验。

CT 扫描分辨率也得到了显著提高，许多扫描设备分辨率达个位数微米范围，能够检测到零件中的微小缺陷。与过去的设计相比，这是向前迈出的一大步。

除此之外，CT 软件也变得更易于使用，具有改进的工作流程设计和先进的协议，使重建更快更好。过去， CT 软件和整体系统复杂性需要具有高学历的员工来操作，而今天的 CT 系统可以由实验室或车间的技术人员操作，使其成为实际使用中更加经济的工具。由于CT专业人士和增材制造专业人士都从切片、零件方向和 3D 空间方面进行思考，因此他们有很多共同点。

增材制造从业人士对CT 技术有一个常见误解是 CT 不能进行计量。过去的确可能如此，但现阶段CT 技术已经有了新的变化，可在同一台设计上同时进行无损检测和计量。

在过去几年中，CT 扫描仪的价格也在降低。计算机断层扫描检测系统有许多不同的配置，在进行投资时可根据生产需求和预算做出选择。即使没有足够的需求购买自己的设备，仍可以通过第三方服务受益于CT 计算机断层扫描技术增材制造工艺链带来的价值。

通过以上信息，我们可以看到，CT 检测技术能够在增材制造零件设计早期阶段就开始发挥作用，CT 扫描数据将使工程师、设计师、研究人员、科学家和任何对增材制造零件设计感兴趣的人以可视化的方式，对其工作对象进行审视，在整个增材制造工艺链中发挥作用。

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使用聚焦高斯型光束的粉末床熔基金属增材制造涉及的高热梯度和复杂的熔池不稳定性，往往导致高孔隙率、糟糕的形貌质量和退化的力学性能。在此，来自美国劳伦斯利弗莫尔国家的 MANYALIBO J.MATTHEWS等研究者分析表明，与高斯光束相比，贝塞尔光束提供了前所未有的对不锈钢(SS 316L)熔体池时空演化的控制。相关论以题为“Nondiffractive beam shaping for enhanced optothermal control in metal additive manufacturing”发表在Science Advances上。

论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abg9358

基于激光的金属增材制造(AM)或三维(3D)打印，在过去几十年获得了巨大的吸引力，因为它为快速成型和复杂设计的制造提供了一条道路，具有超越传统制造技术的卓越力学性能。激光粉末床聚变(L-PBF)，一直是金属3D打印的金标准，在扫描过程中，激光光束照射金属粉末原料床，依次熔化并形成所需形状的结构。L-PBF中使用的高激光强度(~MW/cm2)，导致高凝固生长速率(R)和熔化池中大的热梯度(G)。因此，热和质量传输机制取决于由复杂的熔体流动动力学和反复加热冷却循环的累积效应造成的不稳定性，这可能会不利地导致缺陷和孔隙。高G/R比值也会导致柱状晶粒长大和残余应力，不利于获得各向同性力学性能。

通过采用合金设计、粉末原料工程和简单的机器参数优化等策略，AM的内在局限性已经得到了一定程度的改善。更直观的是，在L-PBF过程中引发熔化的激光强度曲线应该影响熔池的空间分布，从而影响热梯度和凝固动力学。然而，过程激光束的强度分布往往被忽视，研究很少，这可能是因为大多数高功率商业激光器输出的是TEM00模式，通常称为高斯光束。高斯光束的特征是在1/e2束腰内具有强局域化，其中包含约86%的入射功率。

由于在紧密聚焦区域提供的高峰值强度，高斯束诱导的熔体池非常容易发生(i)匙孔现象，这是由于熔体池的汽化和在底层熔体池上的反冲压力的积累而发生的，以及(ii)飞溅的产生，即：喷出未熔化或熔化的粉末颗粒。匙孔和喷溅，都对印刷品的宏观和介观性能有不利影响，因为它们会导致印刷品孔隙的形成和较差的表面质量。在调整热分布方面缺乏灵活性，这是控制熔化池流体动力学导致的其他不希望的影响的主要挑战，包括激光-物质和激光-羽流相互作用以及孔隙度、相对密度和表面粗糙度之间的相互作用。高表面粗糙度的印刷产品，已证明有助于急剧减少疲劳寿命。

近年来，激光光束整形技术被应用于工程光与物质相互作用领域，以解决聚焦高斯光束在金属AM中的不足。特别是，与高斯光束相比，反高斯(环形)光束可以在更大的扫描参数范围内减轻飞溅的产生并减少缺陷。在单轨研究中，椭圆光束轮廓强烈地影响凝固组织，并增加等轴晶粒的倾向性。另外，平顶梁也可以实现均匀的温度分布，并在中等能量密度下获得致密结构。然而，这种从光束中心到边缘的类高斯和超高斯径向强度变化，在熔体池中造成了很大的热梯度，限制了这种光束有效的扫描参数空间。重要的是，传统的聚焦光束容易产生强烈的衍射(扩散)。因此，由于力学定位的不一致性，在光束焦点上精确定位构建表面的不确定性可能非常高。此外，高的结合激光功率(千瓦)和相对较长的停顿时间，需要L-PBF经常导致大光学组件上的热应力和热透镜效应等，导致了不良反应，这会使建筑表面的强度分布发生倾斜，或使焦点从原来的位置转移。

另一方面，贝塞尔光束是一种更广泛的非衍射光束形状，对薄层显微镜和光学俘获等应用至关重要。尽管可以设想和实现几种非衍射和空间工程光束形状，但它们通常涉及使用多种复杂的光学元件和/或空间光调制器，这可能不适用于涉及高激光功率的应用。零级贝塞尔光束可以使用简单的光学元件产生，而不会对商业3D打印机的可积性构成实质性挑战。贝塞尔光束表现出非凡的光学特性，包括扩展的聚焦深度(或无衍射的传播范围)和自愈性，其中锥形波简单地超越传播路径上的障碍重建，潜在地减轻了L-PBF中空气飞溅造成的有害影响。至关重要的是，尽管需要探索控制激光-材料相互作用和改善最终材料性能的方法，但对于L-PBF中复杂非衍射光束对材料响应的影响知之甚少。

在此，研究者发现贝塞尔光束降低了L-PBF (SS 316L不锈钢)中聚焦平面定位的灵敏度。研究者还表明贝塞尔光束产生的熔体池，具有更大的宽高比(更窄和更深)，显著降低了在广阔的参数空间内匙孔模式熔化的倾向。对熔池演化和凝固动力学的高速成像，揭示了贝塞尔光束稳定熔池湍流和增加熔池凝固时间的独特机制，这是由于降低了热梯度。因此，研究者观察到，在3D打印测试结构中，高密度、降低表面粗糙度和强大的拉伸性能得到了明显改善。

图1 高斯和贝塞尔光束形状的强度分布示意图。

图2 束形对熔池尺寸的影响。

图3 归一化熔池深度作为能量密度的函数。

图4 静态熔池的高速成像。

图5 扩散熔化池的高速成像。

图6 光束整形对力学性能的影响。

图7 两种光束形状的G-R凝固图。

研究者预计贝塞尔光束整形，对光学和吸附性相关的热现象的影响，如焦平面容差、熔体池湍流和锁孔倾向，如本文针对SS316L所报道的，可以定性地应用于广泛的金属和合金，尽管对其他材料的微观结构和力学性能的影响，需要进一步研究。（文：水生）

文章来源材料科学与工程

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通过激光增材制造技术在磨损部位进行金属粉末堆积成型，能够重塑零件中缺失的几何形状，实现这些高价值工件的快速修复，从而有效延长其使用寿命，为企业降低维护和修理成本。

通常在对工件进行增材制造修复之前，需要进行检测和预加工，从而去除油、残留物、氧化层或缺陷区域，确保工件是可修复的。在制定加工和修复策略的过程中，需要获得损坏工件的精准数据，在此过程中，高精度的三维扫描、检测技术不可或缺。

本期， 将通过先临三维旗下天远三维的高精度3D视觉检测方案在增材制造工件修复中的应用案例，与您共同了解高精度检测方案如何助力激光增材制造技术实现高价值工件的精准、快速修复。

高精度3D视觉检测方案中的OKIO 5M工业级三维扫描仪。

© 先临三维旗下天远三维

精准获取数据、处理数据

 冲击缺陷修复案例

先临三维旗下天远三维自主研发的高精度3D视觉检测方案，包括高精度三维扫描仪和自主研发的EINSENSE Q 3D数字化检测软件。

密苏里大学实验室在激光增材制造修复领域开展了一系列研究。其中一项研究是对H13 模具的冲击缺陷进行增材制造修复。在进行修复准备阶段，使用了天远三维的高精度蓝光三维扫描设备OKIO 5M对工件进行扫描数据处理，并结合3D扫描和逆向工程，最终实现模具的增材制造修复。

// 工件受损情况

通过观察可以发现，上图中所示的工件受损部分形态复杂，除了锥形之外，还包括了垂直表面以及窄边。密苏里大学实验室对该工件中的一定量包覆损伤的区域进行加工，为进行增材制造修复准备出所需的几何形状。

// 使用扫描对受损工件进行重建

使用高精度蓝光三维扫描仪OKIO 5M，将工件放置于平台或者转台上，进行3D扫描。

图为使用OKIO 5M 的扫描数据建立的受损H13 模具工件STL模型，受损形态清晰可辨。这是规划修复路径的前提。

接下来的步骤包括目标几何形状获取，并在获取的几何形状基础上生成受损工件进行预加工路径，以及完成预加工。

 开裂叶片修复案例

// 获取叶片受损情况

上图所示叶片的裂纹在正反面都清晰可见，形态是曲面的槽痕。在此应用案例中，使用高精度三维扫描进行检测的目的是计算出最优的机加修复方案。

// 使用三维扫描数据进行建模

将扫描数据进行建模，叶片受损部分的形态与位置清晰地展现在模型中。使用专业的检测软件进行分析，还可以规划切除路径，修复工件。蓝色线条为工件上的槽痕区域，紫色部分为最优切除路径。

//完成预加工的受损叶片

叶片受损区域已按照规划路径进行机加工，可以用于下一步进行增材制造修复。

 磨损工件修复案例

工件扫描

修复一些小尺寸工业件时，研究人员将OKIO 5M固定在三脚架上，使用机械臂抓取工件，通过多角度旋转，从而获取完整3D数据模型。

OKIO 5M采用先进的蓝光光栅扫描技术，满足高精度工业三维检测需求，快速获取工件的高精度数据。

//提取磨损部分数据

将标准工件和磨损工件的三维数据，在软件中进行布尔运算，提取磨损部分的三维数据。

将布尔运算得到的磨损部分点云数据，生成水密模型（STL）。

// 修复路径规划及直接修复

基于扫描与后处理得到的磨损部分模型数据，通过软件计算生成修复路径。

通过增材制造技术进行修复，再进行CNC机加工，磨损的工件便修复完毕。

 开裂冲模修复应用

//常用修复思路

在上图所示受损冲模中，开裂和受到损坏的位置在进行增材制造修复之前，一般需要采用机加工工艺精确去除受损位置的材料。对切除部分进行定义的过程中，也需要3D扫描技术的参与。图中是受损模型及其数据建模。

//刀具路径的确认

对工件划痕的形态和具体位置进行检测，从而确定切除量与切除边界。载入到加工系统中，确认刀具路径，同时生成数控代码。图中蓝色部分即为刀具路径，标志着需要切除的部分。

以上修复案例均采用了三维扫描仪获取工件的精准数据。这为随后进行工件修复规划、预加工以及最终进行增材制造修复奠定了基础。

密苏里大学实验室研究人员成功使用天远三维高精度三维扫描仪OKIO 5M，重建了磨损部位模型，避免了人为误差。激光增材制造技术根据修复路径，成功快速修复工件，恢复其机械性能，延长使用寿命，免去了人工修复如焊接、加工等耗时长的工作流程。

引用文献：

X. Zhang, W. Cui, L. Hill, W. Li, F. Liou. “Development of pre-repair machining strategies for laser-aided metallic component remanufacturing”, Proceeding of the 29th Solid Freeform Fabrication Symposium, Austin, Texas. August, 2018

X. Zhang, W. Cui, W. Li, F. Liou, “Metallic components repair strategies using the hybrid manufacturing process”, Proceeding of the 28th Solid Freeform Fabrication Symposium, Austin, Texas. August, 2017

X. Zhang, W. Li, K. M. Adkison, F. Liou, “Damage reconstruction from tri-dexel data for laser-aided repairing of metallic components”, International Journal of Advanced Manufacturing Technology 96(2018): 3377-3390

l 文章来源：天远三维

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不过在获得翱翔天空的资格之前，零件的认证是关键，尤其对于3D打印-增材制造的零件来说。

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从检测到仿真

 CT与加工的相辅相成

根据 的市场观察，用于制造 3D 打印零部件必须全面、科学地回答材料完整性和质量一致性的问题。特别是对于飞行关键零部件，目前用于完成此任务的技术是计算机断层扫描，也就是众所周知的 CT 扫描。

作为一项已有数十年历史的技术，CT 扫描是一种可行的方式，可以窥视和穿透零件以发现隐藏的内部缺陷。CT 扫描还允许增材制造 (AM) 用户验证他们的设备是否正常运行，以及他们的工艺是否合理且可重复——能够产生相同的冶金和机械特性。

CT 扫描通过 X 射线源从多个角度生成对象的数字切片，然后，软件可以使用适合各种分析的相应数据集将 2D 图像重建为高度准确的 3D 模型。孔隙、分层、裂纹、空隙和其他缺陷清晰可见，内部零件特征也是如此，否则需要横截面和其他破坏性检测方法来检验零件内部是否存在缺陷。

在航空级 AM-增材制造金属零件生产中，最常用的是激光粉末床熔化 (LPBF) 工艺，包括选区激光熔化 (SLM、DMLS)。这些技术还拥有最昂贵的设备，并且由于 LPBF 的构建速度相对较低且材料成本较高，因此制造商3D打印全尺寸零件通常需要进行多次迭代，并逐个进行 CT 扫描以确定工艺的完美。

在进行小批量制造之前，制造商必须通过在构建室内的不同位置和方向打印小型测试立方体来确定生产操作参数。然后对这些材料进行 CT 扫描，了解材料密度和一致性、尺寸精度等属性。发现缺陷的操作员可以调整激光功率和其他变量，打印多个测试样本以优化生产力和零件质量。

然后对较大的零件以及具有代表目标零件的复杂几何形状的零件重复此过程，并反复评估冷却通道、悬垂和各种壁厚等设计元素，直到金属制造过程具有可预测性。

测试是一项重大投资，往往超出设备本身的投资。任何金属 AM -增材制造零件供应商都应在生产时间、原材料、操作员培训以及 CT 扫描设备和软件的使用方面为测试提供足够的预算。当前任何新的 3D 打印技术都需要长达一年的工艺开发，然后对每台后续机器进行几个月的微调。

铝、钛、哈氏合金和 Inconel 高温合金被飞机制造商广泛接受，但当零件是通过 3D 打印制成时，预计会受到更严格的审查，尤其是还有可能使用新的合金，所有这些都需要在飞行使用前进行广泛严格的测试。

CT 扫描已被证明是鉴定这些材料和未来材料的重要工具。对于3D 打印支架、燃料喷嘴和涡轮部件而言，情况确实如此。并且制造商可以使用 CT 分析单个晶粒的高分辨率模型，该模型只有一两个微米。

材料污染也是使用金属 3D 打印的制造商关注的问题，只有通过严格的材料处理和采购程序才能避免污染。有办法在污染确实发生时发现污染，这一点至关重要。这些事件很容易用 CT 扫描发现，故障在零件图像中表现为亮点。

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 软件助力产业化

在未来几十年中，金属增材制造在航空航天领域的应用有望增长。更轻、更坚固、更省油的组件的设计自由度和机会很容易抵消发展中遇到的重重障碍。此外，3D 打印零部件将变得更加高效。

AM 增材制造设备制造商继续提供更快、更准确和更易于使用的机器，而 CT 扫描提供商和软件公司则通过开发互补系统来跟上步伐。一个例子是基于软件的网格补偿，这种补偿减少了增材制造零件设计阶段的迭代周期数，可以预测变形并在零件几何形状内自动对其进行补偿。

构建策略也起作用。例如，动态调整光束尺寸、功率和横移速度的方法会对零件质量产生深远的影响。因此，在扫描件和设计件模型之间建立反馈回路、比较两者并优化构建参数以最大程度地减少差异至关重要。

在这方面，国际上的软件公司在深层次地推动增材制造业的产业化发展，用于设计增材制造零件的 CAD 系统、用于检验建模性能的仿真软件以及用于检查和分析最终工件的检测软件。通过这些系统，航空航天制造商能够更快、更高效、更一致地设计和生产更好的零件。

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仅仅是金属3D打印过程中就有50多个变量相互发生作用，而这些剪不断理还乱的大数据，为3D打印带来困惑的同时也带来了机遇。利用加工中的过程数据通过算法获取对加工的洞察与控制，推动增材制造的全球大规模采用，推动制造业进入第四次工业革命。

数据、算法的结合

想象一下，如果可以缩短航空航天和先进制造等行业中复杂零件的生产周期，可以将CAD文件从中心办公室发送到全球任何地方的远程生产设施，而不必集中生产这些零件，再通过复杂的物流网络运送到世界各处。这其中，可以通过过程质量保证来“现场”监控生产质量，然后通过自动化软件以及后处理程序来增强整个系统的鲁棒性。

这种快速生产的未来主义图景会从根本上改变整个行业，根据 的市场判断，曾经耗时数月的复杂零件的制造，质量保证和后处理方法可以缩短为几天。

 第四次工业革命和创新，将超出了想象

拿Sigma Labs的IPQA系统举例，这种过程控制系统可以开放具有无限设计参数的行业，以实现全球协作。根据 的市场观察，目前，Sigma Labs在推进技术和质量方面取得了迅速的进步，这将使之成为可能。

Sigma Labs的IPQA系统代表一项新的创新技术，用于监控金属增材制造过程（金属3D打印）。之所以需要这样做，是因为如果没有确保质量的保障措施，新兴的金属增材制造（AM）行业根本无法被接受为值得信赖的技术。

IPAQ过程© Sigma Labs

不过IPQA实现的难度相当高，Sigma Labs的IPQA面临的一个挑战是，需要以200 kHz的频率进行采样，专门查看高温或相对温度，以了解熔池中发生的情况。根据 的了解，幸运的是，Sigma Labs能够克服这一200kHz采样难题，不仅如此，目前Sigma Labs能够推进和开放其他架构，其他机器种类，否则，如果没有大量的数据，Sigma Labs的算法无法实现可靠的预测与控制。

 质量

质量问题是尚未大规模采用金属增材制造工艺的另一个原因，当前的质量控制包括破坏性测试和CT扫描。两种技术都非常耗时且成本高昂，并且无法提供进行过程中监视或进行过程中修复的途径。

更重要的是，当前的质量管理规范是在零件制造完成之后进行的，这增加了很多额外的步骤，成本和时间。而 IPQA允许零件在构建过程中进行调整和修正，使得质量检测与控制同步实现。

根据 的深入了解，在金属3D打印-增材制造过程中，可以将热数据反馈到仿真模型中，以告知如何制造更好的零件。这也将减少零件库存，以往备件必须按库存存放在仓库中，这会带来巨大的拥有成本。而如果对3D打印这种新工艺的质量控制有足够的信任，则可以按需3D打印这些零件并使用原位过程监控技术进行制造。

这些监视和QA控制技术的前景正催生出许多创新的解决方案。一种这样的解决方案是Polaris Motion的Polaris UniverseOne™同步数据采集系统，它是Sigma Labs IPQA解决方案的组成部分。

根据 的了解，Polaris UniverseOne™的信号质量很重要。如果没有良好的信噪比，过程控制技术将无法正常工作。Polaris Motion是Sigma Labs数据采集方面的合作伙伴。通过合作以实现优势结合，就过程中质量控制技术而言，这是非常令人激动的，因为这种组合技术打破了增材制造工艺的发展限制。

在加工中的质量管理方面，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。

未来即将到来，这其中需要多种因素的结合。如果没有良好的数据，多么优秀的算法、技术和流程将毫无意义。

 仿真，AI，更强有力的全方位的推进

当然仅仅通过Sigma Labs实现过程中监测与控制是不够的， 看到国际上尤其是仿真软件正在为过程前的建模优化与加工参数设置而发力。通过仿真对材料属性在增材制造过程中发挥的作用，减少昂贵材料的浪费，以及避免试验不通过的材料情况发生，在这方面，仿真软件的设计也是个大数据的活。仿真软件需要与机器制造商合作，以获得设备的物理参数权利；需要与材料供应商合作，以保证材料科学指标是正确的；需要与测试专家合作，以确保正在测试的零件是正确的；需要和与用户合作，以确保得到更多的预测结果与实际效果之间匹配的权利。根据所有的材料、设备和产品的关键信息，预测如何改变材料，机器和建模。这些数据的获得与反馈将形成一套对增材制造的闭环控制体系，而无疑大数据在其中发挥了重要的作用。

在这方面，增材制造仿真的专业公司3DSIM（被ANSYS收购）已经与Sigma Labs合作开发了一个名为FLEX™软件，该软件模拟热传感器对金属增材制造工艺的响应，提前避免可能发生的错误。通过仿真可以调整工艺参数，以及更换新的粉末，通过软件确定扫描策略以及选择粉末。模拟软件将预测这些改变对零件性能的影响。

根据 的市场观察，除了Sigma Labs的过程控制以及仿真解决方案，来自德国亚琛的科学家们正在研究监视金属3D打印的新方法，以提高过程的鲁棒性。在构建平台中使用结构传感器时，将来会检测到关键错误，例如支撑结构撕裂的时间。此外，通过超声波传感器可以用于分析空气传播中的声音，以确定组件的质量。基于激光的超声测量的研究将在未来走得更远：脉冲激光将在部件中感应出结构传播的噪声，然后由激光测振仪检测到。这使得在构建过程中发现微小的毛孔，以便能够立即进行干预。而原位测量过程可以通过另一个曝光顺序对问题区域进行返工。

在这方面，Fraunhofer-弗劳恩霍夫的futureAM下一代增材制造项目包含了更多“柔性”的增材制造技术，例如在线过程控制技术的开发，工艺稳健性的开发，以及基于数字孪生的网络化流程链的开发等。根据弗劳恩霍夫激光技术研究所Fraunhofer ILT，增材制造现在处于工业实施的门槛上，而从FutureAM项目中共同获得的专业知识现在将转移到工业应用中。

Fraunhofer-弗劳恩霍夫的futureAM下一代增材制造项目开发的虚拟实验室以封闭且数字化的方式绘制所涉及参与方的能力。每个实体（机器或产品）都被描述并分配了一个“数字孪生”，这是网络物理机器或更大的网络物理系统的虚拟部分。基于这些数字孪生，可以通过建模和仿真来优化实际系统。这将增强例如错误诊断、预测分析、产品和过程优化以实现长期质量保证。

其中，Fraunhofer IWS的专家通过“人工智能”（AI）和“机器学习”的先进方法来提升对加工过程的理解，由Fraunhofer IWS图像处理和数据管理工作组进行研究。通过人工智能，可以找到这些数据泛洪中的隐藏联系。

将来，该系统还将提供用于计划新产品的数据，这将大大减少认证时间。它将能够越来越多地自动将产品分配给机器，在生产过程中适应相关的工艺参数，并自动考虑产品目标（例如质量）和生产目标（例如交货时间）。

由此出发，人类的角色将发生变化-从今天的中央计划转向决策和监控。虚拟实验室中的自治系统将使用适当的评估和监视工具来支持现场人员。因此，“虚拟实验室”提供了完整的数字透明度。

而这一切，都在推动增材制造的全球大规模采用！

l 文章来源： 市场研究团队

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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， 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。

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 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。

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 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。

根据 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 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。

Review

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 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。

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 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 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 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 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。

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2016年Markforged 公司推出了基于材料挤出工艺的金属3D打印设备，不过这项技术用于打印金属丝材的时候有一个业界公认的痛点那就是变形与收缩的控制挑战。Markforged 针对这一痛点进行了研发投入。根据 的市场观察，Markforged 在年底前将要推出的人工智能软件-Blacksmith，是该公司在变形与收缩的控制领域所取得的新成果。本期， 就与谷友共同了解一下这款软件所起到的作用。

“Blacksmith”软件试图通过将其打印机连接到计量设备（此处用来扫描12毫米扳手）来了解和纠正在烧结过程中经常发生的零件几何形状变化。

 由算法驱动复杂迭代过程

 纠正烧结中发生的几何形状变化

Markforged 的“Blacksmith”软件为自适应制造的人工智能驱动软件解决方案，该过程需要适应影响零件的设计、打印和后处理每个步骤中存在的多个变量，这些变量都会影响3D打印。

“Blacksmith”软件通过将Markforged的3D打印机连接到计量设备（如上图，扫描的是12毫米的扳手）来了解和纠正在烧结过程中经常发生的零件几何形状变化。

当3D扫描将数据点映射到零件的原始CAD或STL文件时，两者之间的偏差通常需要返回到原始文件进行调整。如果这项工作由人工来完成，则是一项耗时且不精确的方式。而“Blacksmith”软件的方式是在人工智能算法、设计工具和3D扫描数据之间建立循环，随着时间和打印量的增加，将增强公司整个打印机的基础能力。也就是说，凭借人工智能强大的学习能力，当同样的零件或类似几何形状的零件被打印上百次后，一次打印就成功的可能性会更高。

当3D打印设备出现偏差或者整个过程中出现变量，系统可以发出警告或实时进行自我纠正。Markforged 3D打印机使用连接到每台机器的打印头的激光扫描仪来同时创建和检查零件，然后将数据反馈到云中。随着越来越多的计算机将反馈共享到云中，这些数据将使自校正功能变得更快更准。

软件中使用了预失真几何的算法，考虑了预期的变形并抵消了变形，以产生预期的零件。

 学习零件基本几何形状

Markforged 的金属3D打印技术为一种间接金属增材制造工艺，即首先3D打印零件的生胚，生胚制造材料为一种将金属颗粒与塑料基质混合在一起的金属丝。打印完成后，零件被放入溶剂中，除去第一阶段的粘结材料，然后再放入烧结炉将残留粘结材料烧掉，并将金属颗粒融合在一起。从最初的设计文件到最终的金属零件，这一过程中零件有很多机会因变形而偏离其原始设计。材料、加工温度和大气成分以复杂的方式相互作用，Markforged试图对此进行理解和控制。

“Blacksmith”软件将设计文件上传到云中进行切片，然后，系统将文件发送到由一组连接的3D打印机共享的反馈循环中，随着时间的推移提高每台机器的零件精度。总体来说，该软件是Markforged 公司努力理解和控制其基于材料挤出工艺的间接金属增材制造端到端过程的结果。

在以上扳手的案例中，扫描零件时，扳手孔的直径可以完美地插入，但是可能会有一些轻微的变形，软件可以识别这些特征，将它们与点云进行比较，并识别出任何差异。将生胚零件从烧结炉中取出后，用户可以扫描这些零件的几何形状，并将其发送回“Blacksmith”软件，并在输入文件和点云之间，比较扫描产生的结果。该软件的目的是确定3D打印或烧结过程的哪些方面可能导致变形，然后创建一个纠正这些变形的新模型。

“Blacksmith”软件的成功将取决于其学习基本零件几何形状的能力。在这一软件的逻辑中，每种设计都是几何成分的非线性组合。还是以扳手为例，网格文件未描绘扳手，而是描绘了在较大几何图中彼此相对定位的一系列孔、边、角和形状。例如，一个简单的零件由一个圆柱体和一个立方体组成，它们组合成一个新的形状。“Blacksmith”软件正在学习打印立方体的含义，打印圆柱体的含义以及这些形状在上下文中的含义。总之，其目标是是利用从这些几何学中学到的一切，使零件以及类似零件在首次打印时就获得成功。

  Review

Markforged 针对间接金属3D打印工艺中存在的变形与收缩挑战所提出的解决方案不仅仅是软件。根据 的市场研究，Markforged申请了专利，通过将粘结剂、陶瓷材料作为分离层与支撑层一起打印完成，使得金属3D打印所获得的生坯具有更好的防止变形与热收缩控制能力。有关这一控制方式的研究请前往《减少3D打印后烧结变形， 看陶瓷材料如何应用于挤出式金属打印》。

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为了统一考核标尺，国家增材制造产品质量监督检验中心结合检测经验及行业通例，对粉末性能参数的测试方法研发了一套测试方案，本部分以镍基高温合金为例对测试项目及其标准进行介绍：

文章来源：融融生态圈

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安世亚太和中科煜宸针对增材制造工艺仿真中工艺扫描模拟的要求，联合开发了可考虑扫描路径的工艺仿真软件AMProSim-DED。

本期谷.专栏文章，将以此为基础对工艺扫描路径对增材制造仿真精度的重要性进行研究对比。研究在增材制造工艺仿真过程中，不同扫描路径对增材制造过程的温度、应力及变形的影响。

 扫描路径模拟的重要性测试

为了研究模拟扫描路径对增材制造工艺仿真的重要性，对一圆环件分别进行逐层堆积与逐圈堆积的增材制造工艺仿真，对比其打印过程中的温度、变形及应力的分布。

图1.变形分布。来源：安世亚太

打印结束后，逐层堆积与逐圈堆积两种方案的工艺仿真，其最大变形相差约37%，最大应力相差17.5%，且逐圈堆积的变形及应力更小，而这与增材制造工艺分区扫描可以降低变形和应力的经验趋势是一致的，说明考虑工艺路径可以获得更好的工艺仿真精度。

图2.应力分布。来源：安世亚太

由此可见，在增材制造工艺仿真中，扫描路径很关键，精细的路径模拟可以极大提高仿真精度。而市场上的工艺仿真软件无论采用固有应变算法，还是热力耦合算法，大多数不考虑工艺扫描策略，而是逐层堆积，即使考虑工艺扫描策略，也过于简单，或只能分区，或不能与工艺规划数据提供接口， 无法真实模拟扫描路径的影响。因此，需要进行考虑扫描策略的增材制造工艺仿真。

考虑扫描策略的增材制造工艺仿真

为了进行考虑扫描策略的增材制造工艺仿真，首先需要研究扫描策略的路径及其数据格式。各个打印厂商采用不同的路径规划软件，路径规划软件形成的路径文件格式各不相同，基本含有以下信息：切片厚度、热源功率及其状态、扫描速度、间距、路径类型及其路径点坐标、停留时间等信息，以便于用于打印机识别。

但路径规划软件输出的扫描路径信息并不利于工艺仿真直接使用，因此需要进行数据转换，需将原有数据格式转换为仿真可以读取的路径数据表，将描述扫描路径热源功率及其状态、扫描速度、路径坐标点及其停留时间。

图3.路径规划转换前后：蛇形扫描示例。来源：安世亚太

最后，基于转化后的扫描路径，采用ANSYS单元生死技术依次激活成型材料来模拟增材制造过程随时间变化的热传递过程；并在瞬态热分析的基础上，通过热应力耦合分析来进行变形以及应力的分析。

为了面向工程应用及普遍适用性，安世亚太与中科煜宸联合开发的考虑扫描路径的专业增材制造工艺仿真软件AMProSim-DED。AMProSim-DED可以考虑温度相关的材料非线性属性，基于工艺文件的运动路径信息，模拟增材制造工艺的材料堆积过程，可以详细模拟零件分区、打印路径以及熔融冷却的相变过程对增材制造过程的影响，预测增材制造过程中的温度、应力和变形，优化工艺参数，从而保证3D打印质量和打印效率，避免低效的试错过程。

 应用案例：圆环件增材制造工艺仿真分析

基于以上扫描路径的转化，对一圆环件进行不同扫描策略的研究：

• 模型：内径30mm，壁厚3mm，轴向高度15mm
• 材料：316L
• 工艺：激光功率1200W；扫描速度10mm/s；层厚0.3mm

扫描策略：

• 扫描策略1：环向扫描
• 扫描策略2：单向扫描
• 扫描策略3：单向扫描（首层57°，层间旋转67°）

图4.扫描策略。来源：安世亚太

l 温度场分析

基于三种不同的扫描策略，对圆筒件进行单道的增材制造工艺仿真的温度分析，下图为打印结束后的温度分布，环形扫描的打印时间低于单向扫描。

图5.打印结束后的温度分布。来源：安世亚太

通过不同扫描策略对比结果，发现环形扫描优于单向扫描策略。因此对一内径50mm、壁厚3mm轴向高度60mm的环形件采用环向扫描策略进行增材制造工艺的制造与仿真，提取相关数据：

• 实测数据：熔池温度从第一层1300摄氏度开始逐渐增大，增长速度大约为10度/层（简化为线性），约25层后，保持1550度不变。
• 仿真数据：筒壁中心的温度从1290℃开始逐渐增大，前20层的最高温度增长速度较快；之后增长较为缓慢，最终趋于稳定，约为1576℃。

经对比发现对于仿真与实测的打印过程中的最高温度及其演变趋势相接近，误差较小（可控制在5%），精度可以达到要求。

图6.增材制造工艺仿真的温度曲线。来源：安世亚太

l 应力分析

在热分析的基础上，通过热应力耦合分析来进行变形以及应力的仿真分析，下图为打印结束后的变形及应力分布云图，由此可见：环向扫描的应力低于单向扫描；单向旋转扫描略低于无旋转扫描，这与根据经验得出的结论相符。

图7.打印结束后的应力分布。来源：安世亚太

综上，从仿真的角度，不同扫描策略对增材制造零件的温度、变形、应力皆有影响，而对于圆环件，相对于单向扫描，环向扫描无疑是一种打印时间短、应力及变形皆小的扫描策略。

 总结

针对增材制造工艺仿真中工艺扫描模拟的要求，安世亚太和中科煜宸联合开发了可考虑扫描路径的工艺仿真软件AMProSim-DED，本文以此为基础对工艺扫描路径对增材制造仿真精度的重要性进行了研究对比，结果表明，考虑工艺扫描路径后可以得到更为符合实际的计算结果，能够真实反映不同扫描策略带来的变形和应力差异，从而真正做到基于工艺仿真技术实现工艺策略的优化设计。

逯璐

大连理工大学材料工程专业硕士，擅长材料成型工艺仿真，曾参与国家863项目实施。现为安世中德咨询有限公司增材制造设计工程师，专业从事增材制造先进设计及工艺仿真服务。

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