Контроль качества аддитивного производства в реальном времени с системой QMmeltpool 3D

Лихтенфельс, 2 июля 2015 г. Контроль качества — одно из основных требований пользователей аддитивных технологий. Отслеживание ключевых параметров системы лазерного плавления металлических порошков — содержания кислорода, температуры, выходной мощности лазера, качества порошка — уже стало частью современных стандартов. При этом невозможно исчерпывающе охарактеризовать качество изделия на основании одних только параметров оборудования. Информацию о дефектах, возникающих в процессе построения, способны выдавать системы локального контроля процессов in-situ, созданные по соосному принципу. Компания Concept Laser, предложившая в свое время инновационную технологию LaserCUSING, представляет инструмент мониторинга в реальном времени с пространственной привязкой и трехмерной визуализацией. Начиная с 2016 г., машины M1 cusing и M2 cusing выйдут на новый уровень качества — благодаря системе QMmeltpool 3D.Фото 1. Локальный мониторинг зоны расплава системой QMmeltpool 3D: фотодиод и камера отвечают за соосный мониторинг площади и интенсивности зоны расплава с точным позиционированием через оптику лазера

Для компании Concept Laser локальный контроль процессов — одно из стратегических направлений в разработках. Теперь производитель добавит к нему систему QMmeltpool 3D для трехмерного мониторинга в реальном времени. Высокая скорость сканирования и значительная выходная мощность лазеров обеспечивают технологии LaserCUSING высокую динамику, а на сам процесс влияет множество производственных факторов. Высокотехнологичные отрасли, включая медицину, автомобильную и аэрокосмическую промышленность, выдвигают жесткие требования к безопасности, и высокое качество здесь по умолчанию является обязательным условием. Для мониторинга и документирования процессов система QMmeltpool 3D в реальном времени предоставляет данные, определяющие качество изделий. В процессе построения система фиксирует с пространственной привязкой параметры зоны расплава (рис. 3). Полученные данные можно визуализировать в трехмерной форме для последующего анализа. По данным производителя, возможности аналитического инструмента сопоставимы с HD-разрешением в компьютерной томографии.Фото 3. Система QMmeltpool стала QMmeltpool 3D. Анализ процесса построения каждой детали с пространственной привязкой: при построении отслеживаются локальные процессы

Контроль процессов с системой QMmeltpool

С помощью коаксиальных детекторов система QMmeltpool фиксирует образующееся при плавлении ИК-излучение в зоне расплава. Соосная конструкция дает возможность ограничиться небольшой зоной, добиваясь высокого разрешения при быстром сканировании (до 50 кГц, в зависимости от типа детектора). При мониторинге зоны расплава определяются два характеристических параметра: ее площадь и интенсивность. При необходимости их соотносят с соответствующими технологическими ошибками. Так, например, низкая интенсивность зоны расплава свидетельствует о недостаточной выходной мощности лазера или завышенной скорости сканирования, т.е. о нехватке энергии. Изменения на поверхности зоны расплава могут указывать на колеблющееся содержание кислорода в рабочей камере. Температура процесса зависит, в том числе, и от геометрии изделий. Соответственно, правильно интерпретировать и анализировать колебания производственных параметров реально только при наличии образца и глубоком понимании технологии. При 2D-мониторинге зоны расплава сигналы поступают в виде усредненных значений для отдельных слоев деталей, поэтому возможности анализа локальных дефектов достаточно ограничены.

Новые возможности мониторинга с модулем QMmeltpool 3D

Применявшаяся ранее технология 2D-мониторинга построения с временной привязкой превратилась в 3D-технологию с привязкой пространственной. Помимо данных, относящихся ко времени, система передает позиционные сигналы, обеспечивая сопоставимую с компьютерной томографией точность (рис. 3.) Опираясь на эти сигналы, можно получить пакеты 3D-данных по конкретной детали и ее структуре. Результатом становится исключительно точное 3D-описание изделия. Фактически, речь идет об определении характеристических особенностей спекаемого слоя. Сюда относятся площадь и интенсивность зоны расплава, для которых с помощью камеры и фотодиода с высокой точностью фиксируют время и положение в пространстве. Полученные сигналы сопоставляют с соответствующими данными по расположению лазера. Именно это сопоставление делает систему QMmeltpool 3D уникальной: сигналы из зоны расплава, включая данные по ее площади и интенсивности, можно визуализировать и оценивать в трех изменениях сразу по окончании построения. У пользователя есть возможность отследить процесс создания каждой детали в пространстве. Такой подход упрощает распознавание и анализ локальных явлений в изделии, имеющих место на протяжении его построения.

Коаксиальная интеграция в QMmeltpool 3D: исключительная точность благодаря общей оси

Новый подход основан на переводе 2D-процессов контроля в 3D-пространство — с захватом данных по параметрам зоны расплава вместе с пространственными координатами. Чтобы понять преимущества новой технологии QMmeltpool 3D, достаточно вспомнить, как контролируется качество сейчас. Для традиционной проверки характерны как более низкое разрешение, так и более низкий уровень распознавания. Рассмотрим видеокамеру, чувствительную к ИК-спектру и функционирующую за пределами зоны построения (рис. 2). Преимущество такого решения — в простоте системной интеграции машины и камеры. Такая компоновка позволяет делать выводы о состоянии процессов плавления и охлаждения в целом, но получить точную информацию о зоне расплава не представляется возможным. Локальная конструкция in-situ базируется на двух детекторах, расположенных на двух осях (рис. 1). Детекторы представляют собой камеру и фотодиод, использующие оптику лазера. Благодаря соосной конструкции становится возможным высокое 3D-разрешение в 35 мкм с привязкой к координатам. При этом скорость распознавания определяется скоростью сканирования. Если последняя составляет 1000 мм/с, получим 100 мкм, т. е. расстояние, перекрываемое каждым снимком. При 2000 мм/с величина составит 200 мкм. Заявленная компанией Concept Laser частота дискретизации камеры составляет > 10 кГц, фотодиода — 50 кГц. Одно из преимуществ соосной компоновки в том, что эмиссии в зоне расплава всегда приходятся на одну точку детекторов. Соответственно, за счет сокращения размера фреймов реально увеличить частоту дискретизации и подробно проанализировать параметры зоны расплава.Фото 2. Традиционный внеосевой мониторинг с применением камеры

Возможные причины дефектов при лазерном плавлении

Причинами дефектов, характерных для лазерного плавления, могут выступать самые разные факторы, включая скорость сканирования и мощность лазера (рис. 4). Так, например, к технологическим дефектам приводит слишком высокая/низкая скорость сканирования и, как следствие, избыточная или недостаточная выходная мощность лазера. При недостаточной мощности в зоне подачи порошка оставшиеся нерасплавленными фрагменты образуют поры неправильной формы. Если мощность слишком высока, появляются вкрапления газа, которые на микроснимках представляют собой правильные круглые поры. На процесс обработки и качество готового изделия влияют подача газа, материал и многие другие факторы. Системы локального мониторинга in-situ способны фиксировать технологические характеристики в реальном времени — благодаря высокому разрешению и частоте дискретизации (каждые 0,1 мм в зависимости от скорости сканирования) (рис. 5 + 6). Тем самым они существенно упрощают распознавание дефектов на ранних стадиях производства, а также позволяют избежать их в будущем. Таким образом, пользователь получает в свое распоряжение инструмент оптимизации техпроцессов.Фото 4. Результаты отклонений в выходной мощности лазера на примере кронштейна для Airbus A350 XWB (производитель Airbus Operations GmbH): визуально дефект не распознаваем, но на него указывают производственные данные, выданные системой QMmeltpool 3D (справа — деталь, полученная при пониженной мощности, слева — деталь при стандартной мощности)Фото 5а: Кронштейн для Airbus A350 XWB (производитель Airbus Operations GmbH), полученный при стандартной выходной мощностиФото 5b: Экран системы QMmeltpool 3D (кронштейн для Airbus A350 XWB, полученный при стандартной выходной мощности)Фото 6a: Кронштейн для Airbus A350 XWB (производитель Airbus Operations GmbH), полученный при пониженной выходной мощностиФото 6b: Экран системы QMmeltpool 3D (кронштейн для Airbus A350 XWB, полученный при пониженной выходной мощности)

Возможности и ограничения

Система QMmeltpool 3D экономит время и трудозатраты по контролю качества. Распознавая локальные признаки дефектных изделий, она помогает свести к минимуму последующие проверки и тестирования. Более того, данные доступны сразу после построения, позволяя выполнять задачи более оперативно. Стоит отметить, что система QMmeltpool 3D не предназначена для компенсации технологических ошибок в процессе построения. Разработка контрольного цикла с функцией самокоррекции существенно осложнена большим количеством факторов, потенциально приводящих к технологическим отклонениям и браку изделий, а также высокой динамикой процесса.

Прогнозы

Трехмерная визуализация с системой QMmeltpool 3D — не просто принципиально новый подход к активному контролю качества. Появляется возможность оптимизировать производство и технологические разработки через итеративное варьирование параметров. Можно регулировать структуры поддержки, делать конструкцию изделия эффективнее и удобнее в производстве. Еще один немаловажный момент — новые перспективы в исследованиях и оценке материалов. Модуль контроля качества будет доступен для машин M1 cusing и M2 cusing уже в 2016 г.