增材制造通常稱為3D打印，因其獨特的生產(chǎn)復(fù)雜形狀的能力而獲得制造業(yè)的關(guān)注。不需要像沖壓、鍛造和成型那樣的工具，也不會像大多數(shù)減材工藝那樣浪費材料。許多單獨的組件可以3D打印為一個整體，從而簡化了生產(chǎn)、組裝和檢查。增材制造零件可以使用多種材料生產(chǎn)，這些材料的強度、耐用性和性能與傳統(tǒng)制造的零件相匹配。

     使用從粉末床熔融到粘結(jié)劑噴射再到聚合物增材制造的一系列技術(shù)，由聚合物、樹脂和金屬等材料逐層成型產(chǎn)品。與小批量和迭代設(shè)計應(yīng)用中的注塑成型和 CNC 加工相比，由于其速度快且相對簡單，它已成為快速原型制作的標準方法。

      過去十年，增材制造開始進入到了最終產(chǎn)品的生產(chǎn)階段，這給制造專業(yè)人士帶來了新的挑戰(zhàn)。在生產(chǎn)制造中更廣泛地采用增材制造的障礙之一是復(fù)雜增材制造部件的質(zhì)量控制和零件檢驗。

 質(zhì)量控制在制造中的重要性

       質(zhì)量控制對于確保零件和產(chǎn)品符合規(guī)格并按預(yù)期運行至關(guān)重要。這對于保持制造操作的一致性和可重復(fù)性也至關(guān)重要。如果沒有可靠的質(zhì)量控制措施，制造企業(yè)將不愿意大批量生產(chǎn)增材制造的零件，這可能會危及他們的聲譽。對于航空航天、汽車和醫(yī)療等自然適用增材制造的行業(yè)尤其如此。這些行業(yè)都受到嚴格監(jiān)管，但也能從高復(fù)雜性、多品種、小批量零件的高效生產(chǎn)中獲益最多。

       然而，精確的質(zhì)量控制取決于評估功能、可靠性和安全性等因素的標準化方法。增材制造的這些標準本質(zhì)上很難建立，因為增材制造技術(shù)之間的制造過程差異很大。支撐結(jié)構(gòu)和成型板的去除、熱通量、殘留的粉末或樹脂、后處理和其他因素都給質(zhì)量控制人員帶來了新的挑戰(zhàn)。

      此外，增材制造領(lǐng)域的快速創(chuàng)新使得監(jiān)管機構(gòu)和標準組織爭先恐后地掌握新興材料和方法的領(lǐng)先地位。ASTM和ISO合作制定了各種已發(fā)布的標準，涵蓋增材制造應(yīng)用、設(shè)計、材料、工藝、術(shù)語和測試方法。但在許多情況下，仍然需要恢復(fù)到增材制造之前制定的舊標準。

       考慮到所有這些，增材制造檢查員只能使用GD&T的輪廓標注來分析復(fù)雜的表面，這需要收集高密度的表面測量結(jié)果。傳統(tǒng)的檢測工具（接觸式/CMM）使這個過程非常耗時。但隨著3D掃描儀的精度不斷提高，這些測量變得更加方便。

 為什么傳統(tǒng)的質(zhì)量控制方法對增材制造提出挑戰(zhàn)？

        增材制造的檢查標準在較新的應(yīng)用中建立得較少，而在較舊的應(yīng)用中則更加充實。

例如，在醫(yī)療保健領(lǐng)域，對于為特定患者定制3D打印的部件（例如植入物或假體），檢查方法更加成熟，因為這些是最早的商業(yè)增材制造應(yīng)用之一。具有高度有機解剖區(qū)域的零件可以進行3D掃描，并與成型文件進行比較，其中可以應(yīng)用統(tǒng)計方法與特征控制相結(jié)合。與精密加工相比，人體的公差也相當寬松，因此掃描的采用發(fā)生得更早。

了解為什么傳統(tǒng)測量工具難以在增材制造中采用也很重要。這些手動工具（如卡尺和物理量規(guī)套件）使用起來非常簡單，并且非常精確，但它們一次只能測量一個幾何特征（例如尺寸、形狀或角度），并且不會以數(shù)字方式捕獲數(shù)據(jù)。這使得它們使用起來既耗時又費力，而且通常不太適合依賴高效數(shù)字工作流程蓬勃發(fā)展的增材制造。

另一種常見的檢查和質(zhì)量保證方法是破壞性測試，其中包括各種疲勞、斷裂和機械測試。破壞性測試昂貴、緩慢且浪費。它也可能無法揭示涉及多個制造步驟的復(fù)雜 3D 打印零件失敗的根本原因。

例如，金屬3D打印零件可能涉及打印、熱處理、支撐去除、板去除和精加工。其中任何一項都可以改變零件的形狀和性能。除非您知道問題發(fā)生在哪里，否則當問題是后續(xù)步驟造成的時，破壞性機械測試可能會導(dǎo)致您浪費大量時間來嘗試調(diào)整打印過程。如有必要，破壞性測試可用于驗證機器/材料組合與測試優(yōu)惠券，但應(yīng)避免用于最終使用零件。

 為什么3D掃描對于增材制造有意義?

增材制造的零件通常具有高度的工程復(fù)雜性，無論是復(fù)雜的晶格、陀螺儀、填充物還是拓撲優(yōu)化。這就是增材制造的全部目的——創(chuàng)新地利用這些只能通過增材方式生產(chǎn)的非常規(guī)形狀和結(jié)構(gòu)。

這正是3D掃描成為3D打印理想質(zhì)量控制機制的原因，因為它的功能與增材制造零件的性質(zhì)非常契合。其中一些關(guān)鍵應(yīng)用包括：

• 全形態(tài)采集

如果沒有3D掃描，就不可能看到零件或產(chǎn)品的全貌。比較圖 1 中的兩幅圖像，很明顯，1,000個數(shù)據(jù)點（通過傳統(tǒng)方式仍然需要相對較長的時間來獲取）看起來遠不如具有超過 900 萬個數(shù)據(jù)點的完整3D掃描清晰。就精確度而言，3D掃描提供的高保真數(shù)據(jù)采集是無法比擬的。

• 非接觸式捕捉

許多增材制造零件涉及不應(yīng)觸摸的薄結(jié)構(gòu)或柔軟表面，因為它們可能變形，或者有特定的清潔度要求。在這些情況下，光學3D掃描比其他方法具有另一個優(yōu)勢。

• 數(shù)字保留和歸檔

通過3D掃描進行的全形態(tài)采集與增材制造中常見的數(shù)字工作流程配合良好。它允許制造企業(yè)根據(jù)需要保留受檢零件的完整數(shù)字副本，即使在運輸和使用之后也是如此。例如，這可以為未來了解零件磨損和疲勞帶來回報。

• 流道設(shè)計 

例如，通過3D CT掃描捕獲整體形狀，設(shè)計人員和工程師可以檢查鑄造模型的噴射應(yīng)用是否不僅可以成型內(nèi)部通道和樞軸噴嘴，還可以清理這些通道。在這種情況下，破壞性測試也是一種選擇，但選擇的任何單個橫截面都可能導(dǎo)致誤報或誤報。另一方面，使用CT系統(tǒng)進行3D掃描可以查看零件的所有橫截面。

• 晶格檢查 

通過使用3D CT掃描，設(shè)計人員可以執(zhí)行晶格檢查，以確保節(jié)點和帶正確放置、晶格位于零件的正確區(qū)域以及配合表面針對應(yīng)用正確交互。

• 成型體積檢查

在許多情況下，測量成型中的任何單個產(chǎn)品可能會給您對該成型期間發(fā)生的情況產(chǎn)生不同的印象。通過3D掃描進行成型體積檢查，您可以檢查所有零件，以了解哪些零件的偏差和翹曲風險最高。從此時起，您可以相應(yīng)地修改零件的成型樣式。3D掃描還可以在后處理過程的每個步驟中存檔您的零件，以跟蹤整個過程中的所有幾何變化。

 增材制造的質(zhì)量控制和檢測解決方案

在增材制造中實施用于質(zhì)量控制和檢查的3D掃描需要兩個組件：掃描儀和能夠管理數(shù)據(jù)的軟件應(yīng)用程序。就光學3D掃描技術(shù)而言，主要用于增材制造檢測的兩種類型是激光線探針和結(jié)構(gòu)光掃描儀。

• 激光掃描 

激光三角測量通過測量投射到物體表面的激光束的變形來捕獲物體。一個或多個激光源將非常小的點投射到表面上，并且一臺或多臺攝像機記錄這些點的位置。

激光線點和相機之間的角度是預(yù)先確定的，以便計算 3D 三角測量。當激光線穿過物體表面時，動態(tài)計算會在 3D 空間中記錄這些點。這種方法可產(chǎn)生準確、高分辨率的掃描，并且當物體反光和/或黑暗且有光澤時最有效。

通常將激光器安裝在由外部系統(tǒng)（激光器或光學跟蹤器）跟蹤的移動平臺（傳統(tǒng)或便攜式 CMM）上，或者保持激光器固定并讓零件在傳送帶或轉(zhuǎn)盤上在其下方移動。

• 結(jié)構(gòu)光掃描

結(jié)構(gòu)光掃描一般使用一臺投光器和多個相機。它與激光三角測量類似，但它測量投影在表面上的條紋圖案或網(wǎng)格的變形。

通常，藍色 LED 或激光照射 DLP 芯片以產(chǎn)生交替的明暗區(qū)域，稱為條紋圖案。當圖案在表面上移動時，相機會收集有關(guān)已知圖案變化的數(shù)據(jù)，并對距離進行三角測量以創(chuàng)建點云。

考慮到經(jīng)常使用的機載攝像頭的分辨率，結(jié)構(gòu)光可以創(chuàng)建密集的點云，在銳利的邊緣上具有豐富的細節(jié)。

• CT掃描

計算機斷層掃描 (CT) 掃描儀是 3D 掃描的第三種選擇。CT 掃描可生成產(chǎn)品內(nèi)部細節(jié)的完整視圖，并且數(shù)據(jù)是數(shù)字化的，這兩者都對 3D 打印零件有幫助。具體來說，CT掃描可以實現(xiàn)通道設(shè)計和晶格檢查，這兩者都需要有關(guān)零件內(nèi)部的數(shù)據(jù)。從歷史上看，CT 掃描儀一直非常昂貴，盡管某些型號的價格已經(jīng)下降。

 用于增材制造的質(zhì)量控制和檢測軟件

然而，使用掃描儀收集數(shù)據(jù)只是第一步。軟件對于以有意義且可靠的方式處理數(shù)據(jù)至關(guān)重要。掃描軟件將點云疊加到CAD或STL參考數(shù)據(jù)上，以提取比較點和測量結(jié)果。

掃描軟件選項包括：

1. 傳統(tǒng)的接觸式檢測軟件旨在與坐標測量機和其他接觸式方法配合使用，非接觸式掃描是新發(fā)展的技術(shù)
2. 專為3D掃描設(shè)計的掃描原生檢測軟件

與傳統(tǒng)CMM軟件相比，掃描原生軟件具有一些重要優(yōu)勢，因為它專為現(xiàn)代高分辨率3D掃描而成型。這些軟件有這些功能：

1. 更快、更輕松地處理大型數(shù)據(jù)集
2. 通過用于噪聲過濾和幾何擬合的掃描本機算法實現(xiàn)高精度
3. 通過橫截面、邊界、曲線、輪廓和虛擬邊緣比較來檢測偏差
4. 通過自動識別3D掃描中的特征并智能過濾數(shù)據(jù)來加速 GD&T 計算
5. 創(chuàng)建包含完整測量歷史記錄及其趨勢的數(shù)字檔案

       例如Geomagic Control X是 Oqton 的掃描原生計量軟件。它與任何光學掃描儀或便攜式CMM臂集成，收集和分析非常大的數(shù)據(jù)集，并自動執(zhí)行重復(fù)和復(fù)雜的任務(wù)，因此用戶只需很少或沒有培訓即可獲得準確的結(jié)果。對于許多增材制造企業(yè)來說，它是質(zhì)量控制和檢測中3D掃描的理想起點。

 為高效的增材制造質(zhì)量控制和檢查做好準備

      無論您采取什么方式，用于質(zhì)量控制和檢查的3D掃描都是增材制造從原型設(shè)計到大規(guī)模生產(chǎn)的關(guān)鍵一步。通過簡化檢查流程3D掃描可幫助制造企業(yè)節(jié)省時間、更輕松地執(zhí)行高級分析并更準確地檢測問題。

    最重要的是，高保真3D檢測為增材制造企業(yè)提供了數(shù)據(jù)，以建立復(fù)雜零件的質(zhì)量控制標準，并確保這些零件滿足性能和合規(guī)性期望，即使是最苛刻和高度監(jiān)管的行業(yè)。

(責任編輯：admin)

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