蔡司助力提高增材制造质量之显微镜解决方案

国际金属加工网 2019年02月27日

增材制造与每一项新兴技术一样,整个过程的质量控制是一项非常重要的任务。包括原材料特性以及成品的质量控制和其间的流程控制都是为了确保制造过程质量所必不可少的。蔡司显微镜在粉末和材料表征、印后热处理和部件去除、缺陷和内部结构检查、印后材料质量检验、尺寸和表面检验等方面都创建了全方面的解决方案。其中光学显微镜和电子显微镜可以提供材料表面的微米及纳米级别的特征视图,为增材制造的质量检验、失效分析及材料研究方面提供准确的信息,高分辨率 X射线显微镜可以对内部结构提供微纳米级别的信息,可以解决增材制造非常复杂的内表面在质检和研发过程中遇到的所有挑战。

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增材制造(Additive Manufacturing,AM)技术是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术,相对于传统的材料去除-切削加工技术,是一种"自下而上"的制造方法。近二十年来,AM技术取得了快速的发展,"快速原型制造(Rapid Prototyping)"、"三维打印(3D Printing )"、"实体自由制造(Solid Free-form Fabrication) "之类各异的叫法分别从不同侧面表达了这一技术的特点。西方媒体把这种实体自由成形制造技术誉为将带来"第三次工业革命"的新技术。

1、粉末材料的表征

各种粉末材料作为增材制造的原材料,对其质量的把关是增材制造质量控制的第一步。粉末颗粒的尺寸大小、尺寸分布、形状、表面形貌、内部致密性等,不仅影响打印后产品的性能而且还会影响整个工艺过程。

利用蔡司光学显微镜能够快速得到粉末颗粒尺寸分布信息

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利用蔡司扫描电子显微镜能够获取极小至纳米尺度的颗粒尺寸信息,颗粒表面形貌信息,以及颗粒的成份信息

利用蔡司 X射线显微镜能够对颗粒形状、尺寸和体积分布进行详细分析。分析粉末床压实度与形状的关系有助于确定合适的工艺参数,缩短最佳打印配方的开发。

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2、印后产品缺陷与内部结构观察

粉末的质量以及在构建过程中的分散方式可能会导致产品结构中形成空隙或材料杂质。使用蔡司光学显微镜检查产品构建质量或使用高分辨率 X 射线显微镜检查内部结构有助于确定工艺参数的影响,并更快地定义实现最佳产品质量的工艺参数。

通过光学显微镜的使用,对产品表面特征的特写提供了对零件质量和工艺参数可能存在 的缺陷,从而更好地了解微裂纹和分层的起源。

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增材制造为前所未有的设计自由打开了大门,允许复杂的内部结构。高分辨率 X 射线显 微镜能够对这些结构进行独特的观察,并分析潜在的内部缺陷。

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X射线显微镜检测可以提供构建完整性的独特视图,并显著帮助优化 3D 打印过程。零件的扫描图像可以在任何方向上进行横切,并与 CAD 标准图表进行比较。

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3、印后产品材料质量检测

与传统的制造方法不同,增材制造工艺要求粉末在制造过程中熔化。因此熔融温度等工艺参数极大地影响晶体结构以及零件性能。

利用光学显微镜表征使用短的局部激光束熔融颗粒的结构形态

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△AlSi10Mg 沿建造方向横截面

利用电子背散射衍射(EBSD)的扫描电镜,可以对晶体或多晶材料进行微观结构的晶体 学表征和研究。

微信图片_20190227132849.jpg△EBSD 晶体取向图,单个晶粒着色,看不见激光加工痕迹

用于传统生产和增材制造的原材料,相同的材料可以具有完全不同的晶体结构。这种差异将极大地影响成品零件的机械性能。

微信图片_20190227132852.jpg△传统生产与增材制造 AlSi10Mg 结构的比较

4、印后产品表面质量检测

表面粗糙度对零件的机械和视觉质量至关重要。增材制造的零件可能非常复杂,隐藏的内部结构无法接近。使用高相关光学轮廓仪和高分辨率 X 射线显微镜,无论在零件内部或外部位置进行详细的表面分析。

利用光学共聚焦显微镜能够快速获取零件表面符合 ISO 测试标准的微观粗糙度,利用 X 射线显微镜能够获取零件内表面符合 ISO 测试标准的微观粗糙度

微信图片_20190227132856.jpg△光学显微镜与 X 射线显微镜粗糙度测试结果比较

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(蔡司工业测量)

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