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电子束粉末床增材制造成形过程的实时可视监控方法综述

1.增材制造〔AM〕简介

增材制造是材料成形沉积工艺，其逐步地将材料添加到基质上。进料的材料

可以是固体、液体或两者的混合物，当进料到达基底后与基底熔合在一起。激光

增材制造是一种自由形式的制造技术，其将粉末式的材料沉积到由激光源产生的

熔池中。尽管在制造方面提供了很大的灵活性，但由增材制造加工出的样品的机

械性能比锻造样品的要低。这种性能上的差异归因于缺陷和其分级的微构造成

形，因此消除缺陷是很重要的。这些缺陷中的大多数是层间缺乏熔合和工艺导致

的孔隙，这两个缺陷都与熔池和轨道几何形状密切相关。因此，能将轨道几何形

状写成工艺参数的函数进而对其进展预测是很重要的。熔池和轨道几何形状与粉

末流动特性密切相关，因为其决定了加工的效率。

2.激光增材制造的粉末输送方式

用于激光增材制造的粉末输送可以通过使用同轴喷嘴〔MDF的DM3D-POM机

器〕或离轴工艺〔例如LENS工艺中存在的工艺〕来实现。

离轴系统的主要优点是它可以减少粉末熔化和对喷嘴的粘附，但却有“山上

覆层〞现象发生。这种沉积技术，当从基板移动的一侧施加粉末时，粉末从侧面

〔即，轴外〕沉积，导致“抗山状况〞包覆。与激光束同轴地传送粉末可以解决

这个问题，因为在垂直于激光束的平面中的基底运动的所有方向都是等效的。在

该方法中使用但未被覆盖在喷嘴装置中的其它处理气体是覆盖气体，其用于将粉

末从料斗推入递送系统。在粉末颗粒离开喷嘴之后，它们通过重力的作用和用于

推动粉末的气体的动量被吸引到熔池中。因此，已经报道了工艺气体在粉末锥体

的形状和粉末速度中起主要作用并不奇怪。最广泛研究的工艺气体是载气和成形

气体。据研究，较高的载气速度会增加粉末的运动速度并产生更平滑的构造。

然而，粉末流中的变化对构建质量的影响尚未很好地被理解。粉末流的形状

〔由工艺气体流速和速度控制〕和熔池的尺寸〔由能量密度控制〕是确定效率和

沉积质量的两个重要参数。因此，旨在理解过程性质的任何研究都需要考虑上述

所有工艺参数的综合作用并且作为工艺参数的函数系统地评价沉积物的质量。据

报道，在与基底碰撞的点处粉末流的直径越小，粉末收集效率越大。

3.AM缺陷的来源

如前所述，在所有AM部件中发生的主要缺陷是孔隙和熔合不充分，缺乏熔

合主要是因为之前的一层没有熔化。这种不完全熔化是激光功率缺乏所导致的，

而孔隙的形成关系着零件外表的粗糙度。在相邻轨道彼此没有相互润湿的情况

下，构件的外表粗糙度会增加，在随后的沉积阶段，液态金属不能填充满所形成

的空腔中，从而形成残留孔隙。其余的空隙可能是由气体被困入金属造成的。而

人们关心的金属增材制造过程中的大多数缺陷的尺寸围在10-100μm

4.AM技术的开展瓶颈〔急需解决的问题〕

用增材制造〔AM〕加工的零件缺乏质量保证是阻止制造商使用AM技术的关

键技术障碍，特别是在那些不允许部件出现故障的高价值应用中。由于AM工艺

和材料的开展，以及对底层设计理念的深入理解，增材制造〔AM〕技术近年来迅

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速成熟。这些开展的结果就是，在许多制造部门的工业家已经开场进展AM的商

业开发。

虽然现在的AM机床同早期的版本相比已有了很大的提升，但研究者发现的

一些问题〔孔隙率，开裂，热管理问题，材料供给问题〕仍然存在。这主要归因

于缺乏用于管理机器操作的过程监控和闭环控制算法。

大型制造商使用故障模式和效应分析〔FMEA〕工具来确保制造空间的各个方

面都受到控制。为了更好的对过程进展了解，必须要进过程数据的捕捉和分析。

传统机床的加工过程和状况检测取决于力、位移和声学感测。在这里收集的数据

通常被实时处理成影响加工策略中的“即时〞响应。为了在AM系统中实现一样

的功能，需要新的传感器系列〔或重新利用现有的传感器技术〕和将这些传感器

集成在一个附加工具上的手段。

一些研究人员已经认识到AM制造增加的设计复杂性需要对零件部几何形状

进展无损探伤，在层与层间边界会普遍存在由于缺乏融合而生成的孔隙。为了实

现闭环控制和材料不连续性的检测，原位数据采集被认为是实施的主要障碍。表

2所示为目前从AM机器制造商处获得的现场监测和闭环反应模块的总览。

5.粉末床熔合〔PBF〕

1.激光粉末床熔合〔PBF〕