表征增材制造中的工藝誘導(dǎo)形狀和表面紋理變化

更新時(shí)間：2024-05-15

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表征增材制造中的工藝誘導(dǎo)形狀和表面紋理變化

使用Sensofar 3D輪廓儀，我們可以表征增材制造過程中的單個(gè)參數(shù)如何改變生產(chǎn)出樣品的形狀。我們還可以通過識(shí)別特征粗糙度參數(shù)，對(duì)在不同角度打印的表面進(jìn)行定量區(qū)分。

在過去十年中，增材制造因其相對(duì)于傳統(tǒng)減材和等材方法的優(yōu)點(diǎn)而被工業(yè)界采用。對(duì)于創(chuàng)造復(fù)雜幾何形狀來說，增材制造所提供的可能性使用傳統(tǒng)制造方法是無法實(shí)現(xiàn)的。然而，其存在一些缺點(diǎn)，如缺乏標(biāo)準(zhǔn)化、難以控制生產(chǎn)出樣品的尺寸和表面性質(zhì)以及在大多數(shù)情況下需要后續(xù)處理步驟等。在本研究中，我們希望通過測(cè)量形狀和表面紋理，來測(cè)量單個(gè)參數(shù)在制造部件最終性能上可能產(chǎn)生的改變。

研究1.作為工藝參數(shù)（材料及其他）函數(shù)的
形狀偏差

對(duì)于本研究案例，我們使用“選擇性激光熔化"技術(shù)兩次生產(chǎn)相同的試樣，但是使用了兩種不同的材料。我們希望藉此看到這種變化對(duì)制造零件的整體形狀將會(huì)產(chǎn)生的影響。我們選擇鈦合金Ti6Al4V和鋁合金AlSi10Mg作為我們的測(cè)試材料，原因是它們?cè)诤娇蘸歪t(yī)療行業(yè)廣泛使用[1]。

通過S wide，我們測(cè)量了這兩個(gè)樣品以及一個(gè)參考樣品，并用3D比對(duì)軟件對(duì)它們進(jìn)行比較。

圖1.制造樣品的照片及其3D比對(duì)的屏幕截圖（左：Ti6Al4V。右：AlSi10Mg）

3D比對(duì)顯示了SLM制造零件相對(duì)于參考的差異。我們可以看到，在樣品幾何形狀的邊緣可見更大的偏差，但使用這兩種材料整體形狀得到了保持。然而，由于球化效應(yīng)的原因，由鋁合金制成的樣品在表面的某些部位顯示出一些較高的偏差[2]。

我們還進(jìn)行了類似的測(cè)試，但這一次使用的兩個(gè)樣品使用相同材料制造，同時(shí)改變了SLM機(jī)器的一個(gè)內(nèi)部參數(shù)（光束補(bǔ)償）。由于這次的預(yù)期偏差更小，我們使用CAD文件而不是參考樣品作為3D比對(duì)的參考。

實(shí)際上，這將是控制生產(chǎn)的最合適的方式：在CAD模型中的不同區(qū)域設(shè)置一些公差，然后據(jù)此分析生產(chǎn)的部件。

圖2.相同試樣兩個(gè)不同單元的表面形貌和CAD比對(duì)（3D和2D橫截面）

在圖2中，我們可以看到一個(gè)樣品和另一個(gè)樣品之間的差異，一些關(guān)鍵點(diǎn)被突出顯示。我們還可以選擇一個(gè)橫截面，并分析每個(gè)樣品中的輪廓如何得到修改。下一步將是返回制造工藝，調(diào)整參數(shù)，使輸出始終符合我們的預(yù)期。

研究2.作為打印角度函數(shù)的表面紋理變化

制造零件的表面紋理可能對(duì)其功能性能至關(guān)重要。因此，了解增材制造工藝中的不同變量可能會(huì)如何影響不同的表面紋理參數(shù)是一個(gè)熱門研究主題。

對(duì)于第二個(gè)案例研究，我們制造了另一個(gè)試樣的不同單元（1 cm x 1 cm，厚2-mm的正方形），但改變了打印角度。這是制造商和研究人員當(dāng)中的一種常見測(cè)試，他們使用增材制造來了解機(jī)器在這些情況下的性能。

我們使用我們的 S neox 3D optical profilometer 光學(xué)輪廓儀并垂直于光軸定位這些樣品，測(cè)量不同樣品在若干位置上的表面紋理。然后根據(jù) ISO 25178 使用相同的排料指數(shù)來篩選測(cè)量值，以確保有意義的比對(duì)，最后使用 SensoPRO software 軟件來確定哪些參數(shù)造成了每組測(cè)量值的差異。

圖3.不同打印角度的示意圖，以及測(cè)量組A （25o打印角度的樣品）、測(cè)量組B （40o打印角度的樣品）和測(cè)量組C （55o打印角度的樣品）測(cè)得的表面粗糙度參數(shù)

結(jié)果表明，當(dāng)印刷角度變化時(shí)，造成表面紋理很大的變化。更具體而言，我們的結(jié)論是Sdr（展開面積比）是改變最多的參數(shù)之一，這與參考文獻(xiàn)[3]相一致。Sdr參數(shù)在與增材和包覆相關(guān)的應(yīng)用中非常重要，因此打印角度對(duì)于功能性能與粘附和包覆相關(guān)的增材制造表面（例如疏水表面）將會(huì)十分關(guān)鍵。

在我們的第一項(xiàng)研究中，我們能夠表征增材制造工藝的一個(gè)單個(gè)參數(shù)可能如何改變生產(chǎn)出樣品的形狀。在第二項(xiàng)研究中，我們還能夠通過識(shí)別特征表面紋理參數(shù)來定量區(qū)分以不同角度打印的樣品。

具有“光柵投影"技術(shù)的S wide system, 系統(tǒng)被用于形狀測(cè)量，而S neox則被用于表面粗糙度測(cè)量。在S neox的案例中，由于“Ai變焦"技術(shù)所具有的速度和HDR模式，被選擇作為測(cè)量微米級(jí)粗糙度的適當(dāng)技術(shù)。然而，從完工表面到拋光后續(xù)處理表面，共聚焦和干涉技術(shù)（也包括在同一系統(tǒng)中）正被用于表征各種增材制造部件。由于在同一系統(tǒng)中集成的不同光學(xué)計(jì)量技術(shù)，S neox的多功能性已被證明具有極大助益。

[1] A. Townsend, N. Senin, L. Blunt, R.K.Leach, J.S.Taylor, “Surface texture metrology for metal additive manufacturing: a review", Precision Engineering, Volume 46, 2016, Pages 34-47

[2] Bourel, D.I., Marcus, H.L., Barlow, J.W. and Beaman, J.J.(1992), “Selective laser sintering of metal andceramics", Int. J. Powder Met., Vol. 28 No. 4,pp.369-81

[3] Grimm T, Wior G, Witt G. “Characterization of typical surface effects inadditive manufacturing with confocal microscopy".Surf Topogr: Metrol Prop2015;3:014001