增材制造 (AM) 或 3D 打印是一个快速发展的领域，与传统技术相比具有许多优势。它可以制造比机加工或铸造更复杂的零件，可以将不同的材料融合在一起，有时在小批量或原型应用中成本更低。共识是它是针对小众应用的小众技术，不适合量产，至少现在还不适合。
的来临增材制造要求公司调整测试和测量系统。另一方面，一些公司发现围绕 AM 建立业务、实践领域或部门有利可图。成功的关键是确保质量体系适当地适应新技术。
Star Rapid Ltd.（广东省，中国）。 “我们用硅和聚氨酯等塑料制造原型，并生产范围广泛的金属 3D 打印部件，从不锈钢到马氏体时效工具钢，”总裁兼首席执行官 Gordon Styles 说。尽管有已知的缺点，例如生产速度较慢，但该公司还是通过增材制造蓬勃发展。其他缺点在于该技术非常新颖，例如了解最终部件的密度和剪切强度。最后，始终需要根据 GD&T 检查尺寸测量值。
制造零件意味着了解您拥有的是什么。 Styles 说：“如果无法测量，就无法制造。”
材料和几何形状
关键的测量是材料本身。冶金测试必不可少。 “我们用于打印 AM 部件的系统更类似于焊接，而不是烧结或粘合过程，”他说，指的是该公司的粉末床系统，该系统使用激光熔化和融合金属连续层中的 al 粉末。与开始使用的粉末相比，高功率激光熔化改变了零件的冶金学。 “有一个神话，一台机器到了，你打开它并以出厂设置运行它。事实并非如此。零件的几何形状和使用的参数可以在很大程度上改变冶金学。我有一名全职冶金师，在加入我之前接受了三年的培训，”他说。在 Star Rapid 的测量中，光学发射光谱仪和其他设备占据了显着位置。
当然，尺寸测量始终很重要。与铸造操作一样，许多印刷金属部件需要进行后加工才能达到关键的公差，尤其是配合面。公司今天进行的大多数尺寸检查都可以用现有的计量设备来满足，例如配备接触式探头或激光扫描仪的便携式手臂——甚至是卡尺和千分尺等手动工具埃特斯。 “例外是新兴的 CT 扫描技术。它非常适合检查闭塞和内部冷却通道的尺寸特性，”他说。然而，Styles 也对此类系统的高成本持谨慎态度，至少目前如此。
Star Rapid 致力于10% 的员工从事质量控制和测量工作。只要可行，公司就欢迎速度和自动化。他坚持的一件事是需要速度和自动化，即使使用现有的计量技术也是如此。他坦言自己的业务总部设在中国，这要求他时刻警惕自己的供应链。 “我们公司有 275 人，其中 23 人 [致力于] 质量控制，根据我的跑步经验，这是一个荒谬的数字英国的一家商店，”他说。质量控制是一个瓶颈，即使对于使用值得信赖的流程和机器在内部生产的物品也是如此。 “有时首件检查可能需要半天时间，这意味着一台机器正在停机，等待‘确定’开始生产，”他解释道。 “那是赔钱了。”样式需要速度。他需要自动化。例如，他期待交付能够每秒收集数十万个数据点的白光扫描系统。
数据、测量和新颖性
增材制造是否有实质性改变计量学应该如何适应用它制造的产品？根据 Met-L-Flo Inc.（伊利诺伊州 Sugar Grove）总裁 Carl Dekker 的说法，不一定。在他看来，这与设备无关，而与用于设置预期公差的数据有关。 “这是用于设计的 CAD 模型和用于创建零件的 STL 文件的问题，”他解释说d.虽然 STL 作为一种中性文件格式很有用，可以让这些系统创建零件，但它也存在很多问题。它是实体的表面几何近似，不智能，有时分辨率可能不够。
在许多情况下，“制造过程中确实存在很多差异，”他说。 “从获得可预测且可靠的零件的角度来看，管理偏差至关重要。”这在计量环境中如此重要的原因是并非每个客户都提供 CAD 模型——有时他们只提供 STL 文件。这意味着存在内在偏差，有时难以确定公差和 GD&T。
至于测量关键尺寸，Dekker 的公司使用标准检测技术，包括激光扫描、接触式探针、 CMM 和光学比较器。由于大多数 AM 过程的分辨率，九次10 除非对零件进行进一步加工以达到更严格的公差，否则计量系统的精度将高于生产零件的机器。
“您的许多标准检测技术仍然适用，”Dekker 说. “但是，虽然你不是在尝试重新发明检查，但你确实需要找到一些额外的方法来适应和应用。”为什么要采用新的测量技术？部分问题在于增材制造相对较新。他同意该过程将改变从输入材料到成品的属性。 “根据所使用的能源及其应用方式的不同，存在偏差，这可能会影响零件的可行性。其中一些仍在学习中，”他说。
这可能导致需要对熔池进行过程中监控，并可能需要监控激光熔化材料时形成的气体。 “我们可能需要追踪 chemis 发生的事情尝试的一部分。如果可以负担得起，可能需要一台质谱仪，”他说。众所周知，增材制造中形成的晶体结构与减材加工中使用的材料不同，因为 [增材制造逐层构建零件]。冷却过程不同；因此，晶体结构不同。 “这只是它与我们过去的经验有何不同的一个例子。我们可能需要以某种方式衡量这些，”他说。
背景和内部流程
雷尼绍公司（伊利诺伊州西邓迪）正在推行一项战略，通过其提供全面的增材制造解决方案最新平台，包括构建室中的计量。它收购了一家增材制造公司，目的是首先提高机器质量。 “通过研究，我们确定许多 AM 机器只是由第三方组件组装而成，”雷尼绍增材制造业务开发经理 Stephen Anderson 解释说。 “制作精密生产 AM machine 需要更严谨。”
Renishaw LaserView 和 MeltView 光学模块（此处以示意图显示）捕获 Renishaw 增材制造机器构建体积中的信息。该公司可以将其在计量设备中使用的相同组件用于 AM 机器，以精确测量和定位探头。据该公司称，编码器等组件为最新的 AM 粉末床设备系列提供了更高的精度。根据安德森的说法，在雷尼绍的最新机器上，它还使用了自己的光学传动系统，有时也称为振镜块。他说：“这意味着我们可以重新利用我们在计量技术方面的所有专业知识来创建非常准确、可重复且坚固耐用的 3D 打印机。”
雷尼绍提供四种粉末床系统，激光范围从 250 到 500W掌权。 “我们最新的机器可以同时应用四个激光器，所有激光器都能够处理整个构建板以加快生产速度，”Anderson 说。他还满意地补充说，雷尼绍使用自己的 AM 机器打印振镜块，然后用于其最新的 AM 系统。他说：“我们的打印机足够精确，可以自信地重复打印我们自己系统中最关键的部分之一。”
使用自己的光学传动系统的另一个优势是，它可以将计量学置于内部建造房间。 “我们很快意识到，在金属中有机地生长零件会给你带来一个下游问题——你如何机械地限定你看不到的内部几何形状的熔体密度，”他说。 “虽然这可以通过 CT 或 X 射线来完成，但这些方法无法扩展到批量 AM 生产。”
为此，雷尼绍开发了 MeltView 和 LaserView 选项，用于 tInfiniAM Spectral 软件套件。 MeltView 系统是一个在线光机械模块，可监测 100 kHz 下 300 至 2000 nm 波长范围内的熔池排放。 LaserView 系统使用红外光电二极管测量 RenAM 系统中的激光输入。传感器监测等离子体和材料的反射率。 “这为我们提供了近乎实时的反馈，以查看熔化过程中是否存在任何问题，并在过程中纠正或停止问题，而无需等待构建完成，”安德森说。这在构建时间可能长达数小时甚至数天的生产环境中尤为重要。在这里，在构建之后发现问题的成本很高，而快速发现问题可以让用户更加主动。它还开启了增材制造闭环自适应控制的未来可能性。
据该公司称，雷尼绍的 InfiniAM Spectral 软件使用来自 LaserView 和 MeltView 的数据并进行量产。一旦生成的零件离开机器，安德森喜欢将其描述为近净形数字铸件。它可能需要更多的加工以满足配合表面的 GD&T 要求。像雷尼绍的 Equator on machine probes 这样的计量系统，以及配备 Renishaw 的触发式测头的传统 CMM，
外部背景和流程
Carl Zeiss Industrial Metrology Technology LLC（明尼苏达州枫树林）全面了解增材制造。提供一套全面的解决方案的挑战之一不仅是 AM 的相对较新，还有其多样化的技术。“使用 dif 构建产品有七种不同的制造工艺Zeiss Industrial Metrology 产品管理经理 David Wick 说。
他还描述了任何增材制造工艺的六个基本步骤，从开发新合金粉末（或任何进料）到最终工艺流程数字化。 （见下页图。）蔡司的工业计量和显微镜部门，以及蔡司的其他部门，提供从进料粉末检查到成品部件尺寸测量的质量测量工具。扫描电子显微镜 (SEM) 和 X 射线成像设备对于确定基本材料特性非常重要。如果 CAD 文件不容易获得，激光和 CT 扫描设备可用于通过创建 STL 文件对零件进行逆向工程。然后使用 STL 文件来制作零件。为了确定组件的固有质量，制造商可以再次在截面上使用 SEM 或光学设备。 CT扫描有利于确定密度和缺陷的存在。一旦完成，就可以应用熟悉的计量工具套件来确定组件公差以及内部特征的 CT 扫描。
Wick 从他的许多客户那里听到的另一个关键因素反映了一般需要更高的速度和自动化。增材制造商不仅想要自动化，还希望自动化很容易实现。 “他们不想花一年时间花钱请软件开发人员编写他们的自动化工具（例如机器人）和我们的仪器之间的接口，”他解释道。 “说即插即用这个词太简单了；他们希望它尽可能直截了当。”与此同时，像蔡司这样的公司面临的挑战是每个自动化机会都是独一无二的。
Wick 认为需要进一步调整的工艺流程的最后一部分是工艺流程数字化。 “这是我们必须弄清楚如何连接所有可能影响您的网络的质量和测量工具，”他说。这可能包括工业 4.0 或工业物联网协议或其他类型的骨干网。 “在那种情况下，质量工具将与同一个数据库对话，从它前面的工具中获取信息，并将测量数据放入数据库中，供客户稍后查看。并非所有质量工具都像今天这样集成，”他说。
国防部的增材制造未来
看看一些更具挑战性的增材制造应用，正如美国国防部所设想的那样美国国防部说明了一些技术解决方案可能采用的方向。据国家制造科学中心（密歇根州安娜堡）高级项目经理 Dana Ellis 称，国防部正在大力研究增材制造，以此作为解决其一些独特问题的方法。最重要的是，国防部分布广泛，遍布全球。上海物流很难在需要的时间和地点安装零件。 “有很多实时打印部件的需求，无论是 [它们] 用于无人机还是武装部队的其他关键元件，”他解释道。 “问题是我们如何在确保和提高数据完整性的环境中做到这一点。 [我们需要知道]数据没有被篡改或干扰，数据来源是安全的。”他报告说 NCMS 正在寻找新的想法，例如调整区块链概念以确保结果部分的完整性和安全性。
质量测量工具有助于 AM 中的每个步骤过程。但是，最终部件的完整性还需要知道部件的材料和尺寸特性也符合规范。检查标准，例如 GD&T a过程中材料规格，也需要在数据集中。为自动化使用而优化的计量设备在远程操作中也至关重要。毫无疑问，这些在任何商业环境中都将变得同等重要。
