蔡司如何支持公司确保增材制造的金属部件的质量和优化工艺

2021-08-19 10:05:26 29

生产取得新突破，占据市场，相信这是众多公司的远大目标。从增材制造的新趋势来看，这是有可能实现的。MarcinBauza博士、ClausHermannst博士和RobertZarnetta博士向我们介绍了蔡司是如何为具有开拓进取精神的创业者提供支持的。

自批创业公司成功利用3D打印或熔化技术实现金属粉末成型之后，越来越多的公司希望通过增材的方法来弥补传统生产工艺的不足。如何打造快速全面的金属零件增材制造技术，在很大程度上取决于工艺过程链结束时的产率一良品率。蔡司工业测量技术部的战略和业务发展负责人ClausHermannstadter博士、新技术和创新总监MarcinBauza博士以及蔡司显微技术部的制造和装配业务部门负责人RobertZarnetta博士介绍了蔡司如何在整个价值链的增材制造中实现工艺改进。

1.为什么3D打印在蔡司所供服务范围中扮演着越来越重要的角色？

ClausHermannstadter博士：增材制造重要的潜力之一就是可以生产出具有独特几何形状和结构、无法通过常规方法来制造的部件，利用该技术制成的部件可以具备全新的功能。从医用植入物到飞机涡轮机，工业3D打印可以应用于各种颇具前景的领域。机械和机器制造、汽车、航空航天、制药、消费类电子产品和医疗技术行业有三分之一的公司已经开始从事增材制造。因此，我们有理由相信在不久的将来，利用打印机可以制造出越来越多的关键部件。这一技术的效率在很大程度上取决于企业对增材制造工艺链的理解和控制程度，以及反馈效果如何。

蔡司可提供几乎全面的解决方案，从材料测试到终检验，确保达到增材制造部件所需的质量要求。此外，我们与许多合作伙伴紧密协作，其中包括研究机构和增材制造技术用户，以加强我们对该领域工艺流程和专有技术的理解。结合利用我们在显微镜、材料研究和测量方面170多年的经验，我们可以更好地为客户提供建议，同时也能够游刃有余地从事制定质量保证标准和规范的工作。

MarcinBauza博士：尽管这项技术目前被大肆宣传，因为它提供了新的机会，例如轻量化和资源节约，但它仍处于起步阶段。该行业还远远不能保证从传统制造工艺中获得的高重复性和可靠性。与常规减法方法相比，增材制造只有一小部分组合专有技术。

因此，需要在打印过程链的每个步骤中进行大量的研究，以实现佳的零件打印。获得这一过程知识可能需要几年的时间。换句话说：对于试错方面还有很多工作要做。然而，通过对材料和工艺的详细分析，可以显著减少迭代循环的次数。蔡司拥有丰富的专业知识和独特的技术，能够更深入地了解和详细监控大部分工艺步骤，例如材料粉末表征，即粉末尺寸和形状，以及分布分析、晶体学分析、构建缺陷、内外表面分析和内外尺寸分析。它们允许工艺步骤之间的关联，并熟知建造后处理的影响，例如热处理对终尺寸特征的影响。这些步骤中的每一个可以对总体收益率具有显著的影响，因此将获得的信息与每个工艺步骤相关联可以显著改善整体零件性能。

2.蔡司如何支持公司确保增材制造的金属部件的质量和优化工艺？

RobertZarnetta博士：如前所述，我们有一个非常广泛的解决方案组合，可在打印过程之前和之后使用。例如，公司经常用我们的光学显微镜和电子显微镜来表征粉末。这对于质量保证来说是一个重要的问题，因为粉末床熔融工艺要求使用在尺寸、形状和材料性能方面具有非常严格规格的粉末。根据我们的经验，这些参数的偏差对终产品的质量有很大影响。我们的扫描电子显微镜被公司用来检查粉末中是否含有氧化颗粒(其可能在3D打印机中熔化时造成问题)，或者分析回收的粉末，是否其能够用于高质量构建。为了进一步帮助分析，我们开发了相关技术，使客户能够缩小光学显微镜和电子显微镜之间的差距，从而更好地了解材料特性。然后可以在微观层面研究在宏观尺度上检测到的粉末异常，并将定位转移到电子显微镜或X射线计算机断层扫描上，从而实现无障碍纳米范围分析。这有助于客户更快地评估粉末质量，并在构建阶段防止与材料相关的缺陷。

MarcinBauza博士：除了蔡司工业显微镜之外，其他蔡司解决方案也在增材制造中发挥作用。例如，打印过程中的错误可以通过我们的3D光学扫描仪(白光和X射线扫描系统进行调查。这意味着公司可以在几分钟内收到整个组件的体积模型，然后可以轻松地将这些实际数据与CAD模型中的目标数据进行比较。这些信息也可以通过印后步骤进行验证，从而可以在“构建”状态分析零件，然后到热处理状态，后从构建板上移除。了解后处理过程对终零件尺寸特性的影响程度，对于建立构建配方和得出工艺参数的结论至关重要。这种测试可以用传统的接触式坐标测量机进行，也可以利用新的CTX射线技术。此外，增材制造零件的表面粗糙度可能是导致部件裂纹扩展的原因，这也应该加以审查。蔡司有用于外部和内部表面的解决方案，使用的是光学白光和基于X射线的系统。此外，整个工艺链中的所有测试信息都可以与质量数据管理软件蔡司PiWeb相结合，从而实现详细的统计评估。上述技术已经在经典制造环境中使用，并且可以利用经验和专业知识，为增材制造工艺开发和总体收益提高提供快速途径。

3.我们要去哪里？蔡司如何进一步提高增材部件的工艺稳定性和质量？

ClausHermannstadter博士：一些3D打印机制造商开始自己监测打印过程。我们目前正在密切关注这些事态发展。我们一定会创建接口，以便在蔡司PiWeb中包含进程中数据。然后增材制造的用户可以将各种质量和测量数据相互关联，更快地发现错误。当然，我们看到了进一步改进的潜力。我们的目标是开发一种自学解决方案，基于在打印机中组装金属部件期间获取的质量数据，确定检测到的缺陷是否会影响终产品的性能。这样的解决方案将提供流程反馈，在极端情况下，还会本着工业4.0的精神加入打印流程。

RobertZarnetta博士：不仅如此。通过汇集和评估从金属粉末的材料特性到打印机中的环境条件以及部件的微观结构的所有信息，我们甚至可以影响上游工艺，例如使设计人员能够开发出可以在没有任何问题的情况下生产具有相同功能性能的模型，以避免缺陷发生。

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