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从设计到生产,CT检测在增材制造工艺链中发挥什么作用?

2022-02-25 22:48     来源:3D科学谷、YXLON     工业计算机断层扫描 无损检测技术 无损检测工业CT

检测对于增材制造行业的作用在逐渐显现,不仅是检测的价值,还有大数据的价值,这对于产品从质量管理(输入端的原材料、加工过程、加工结果、后处理的最终产品)到对工艺的理解和提升(通过数据相关性的分析,人工智能对检测以及其他数据的处理),再到后期的认证(怎么通过航空、汽车等领域的各种认证),检测正在发挥着增材制造生命线的作用。

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。

混合部件的系统孔隙率检测,该部件由金属铸造的底座和上方的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,基于此可对制造工艺进行相应的调整,从而消除导致孔隙的根本原因。图片来源:©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技术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非常高的工作环境中,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。图片来源:©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粗糙度,CT扫描都能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检测。

▲用于火箭发动机试验台的增材制造测量探头。图片来源:©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。这将解决许多这类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。图片来源:©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,两组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,也可以直接使用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。图片来源:© 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,可为使用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、表面粗糙度等)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。在我们看来,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,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,许多扫描设备的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,可在同一台设备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为增材制造工艺链带来的价值。

由上我们可以看到,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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