技術基礎

激光增材制造（LAM）設備有兩種類型：粉末床和送粉式。近期業內較多的關注集中在后者身上， 本文討論的也主要是后者。

圖1顯示了通用的粉末床系統的原理示意圖， 在該系統的整個工作區中使用刮板來進行平整粉末的步驟， 以在構建平臺上建立粉末床， 整個過程是在可以控制內部環境的成形保護室內進行。激光能量傳遞到粉末床的表面，引起粉末的局部熔化和融合，使得該區域的金屬粉末固化。

通常情況下，每一道激光掃描能熔化并重新凝固數層粉末，粉末層的厚度通常為20至150μm。在每一次激光照射后將額外的粉末從工作區刮掉，然后重復上述過程，直到構建出一個堅固的三維（3D）零件。每一個“構建”過程包含數以千計的分層，因此每次運行需要花費幾十到幾百個小時。每一次“構建”可以生成數十個相同或不同的零件。

由于在金屬增材制造過程中是一層接著一層熔化并且快速凝固，所以零件經歷了涉及定向熱傳遞的復雜的熱演化歷程。一些主要用于航空航天和醫療/牙科應用的合金零件甚至可能會遇到反復的固態相變。這些因素使得對成品顯微結構屬性的分析，相對那些使用傳統方式制造的零件而言，變得更為復雜。頻繁的定向熱量提取會導致晶粒結構在Z軸方向（垂直于構建平臺）呈柱狀，并且“在增材制造中，各處的顯微結構和力學性能通常呈各向異性，而Z軸方向一般是最弱的”。激光選區熔化（SLM）工藝的典型缺陷包括顯微疏松以及相鄰層之間融合不好。航天應用特別關注的是靠近零件表面的孔隙引發的疲勞裂紋，同時表面光潔度也會對疲勞壽命造成影響。

綜合上述問題一起考慮，特別是那些對結構起到關鍵作用的零件，廣泛應用增材制造技術所要面臨的重大挑戰是成品的合格性以及如何檢定其合格性。最近，關于增材制造的一些報道都在呼吁借助在線、閉環的過程控制和傳感器來確保增材制造的質量、一致性和再現性。總體的目標是在空間分辨率低于1mm2的情況下實現穩定的分層質量評估，這將免除通常在構建后進行的檢測或破壞性測試。領先的航空航天制造商也非常支持在線監測：GE航空發動機公司的增材制造業務拓展總監Greg Morris先生說：“如今，增材制造一個引擎零件所需要的時間中有25%是用于后檢測工序。通過在構建過程中實時進行在線檢測，我們將加快增材制造引擎零件的生產速度，例如LEAP燃油噴嘴。”

設備和工藝的多變性

過程監控解決的主要問題是增材制造設備或激光與材料的相互作用所具有的多變性，因為后者會反過來擾亂金屬的微觀結構或宏觀力學性能。包括構建平臺和成形保護室的溫度、保護室的氧氣濃度、惰性氣體流經粉末表面的速度在內的環境因素將會影響工藝轉換和缺陷的形成。在每一次激光掃描過程中，激光功率、焦斑大小和z軸方向的功率密度變化是決定材料熱偏差的潛在波動的關鍵參數。晶粒的粒徑分布和形狀將會影響每一層粉末結合的狀態，從而影響激光增材制造零件的表面質量和密度。關鍵的運行參數包括掃描速度和掃描間距（x-y），盡管如今的振鏡掃描器在這些方面表現得足夠穩定，并且再現性很好。每一個分層的構建或者說“重涂覆”過程也必須在層厚的均勻性以及每層的可重復性方面保持高度一致。最后一點，零件的幾何形狀將會影響熱傳遞過程。材料的懸垂部分和尖銳棱角部位的熱傳遞有所不同，會引起應力變形以及孔隙、針孔或顯微裂紋。SLM Solutions NA公司北美地區運營副總裁Jim Fendrick指出：“局部的熱力狀態決定了整個過程，幾何形狀也有關系。”

如何保證質量

鑒于影響材料累積熱暴露的參數非常多，增材制造設備實現實時質量保證（QA）的方法分成三類：

◆ 傳感器監控和控制設備狀態的各個方面；

◆ 粉末床表面或層厚的缺陷/不規則的評估技術；

◆ 對激光與材料的小的相互作用區或者說“熔池”的直接傳感。

領先的增材制造系統供應商，例如SLM Solutions（德國Lübeck）公司、Concept Laser公司和EOS公司（德國Krailling），都在借助模塊化硬件和軟件的方法來應對這些挑戰。EOS為其模塊命名為“EOSTATE”，而Concept Laser則將其命名為“QM”（質量管理）模塊。SLM Solutions公司的系統最多能包含六大模塊，每一個模塊都是根據自身的功能來命名。

設備狀態的傳感

這是商業化增材制造設備實現其“過程監控”的個方面。步是控制成形保護室內部的狀態。對惰性環境的溫度和殘余氧氣含量、構建平臺的溫度和系統的氣體凈化過濾器的壓差進行監控、管理并錄入計算機。Concept Laser的QMatmosphere模塊能調節成形保護室的氧氣濃度，而EOS的EOSTATEBase模塊能同時監測幾個成形保護室和其他的設備狀態。SLM Solutions的Sensors模塊能監測整個設備范圍內數個位置的溫度、過濾器的狀態、成形保護室內的氧氣濃度，并且每隔兩秒就將這些數據錄入到計算機。