Inspection，而非Monitoring：粉末床增材制造实时检测新技术

自萌芽之初至今，增材制造（AM，常称为3D打印）已从单一的快速成型工具华丽转身，蜕变为一系列精湛卓越的工业制造技术，其核心应用领域遍地开花。随着激光粉末床熔融（LPBF）技术的广泛普及，增材制造行业的无限机遇正持续演进。

该技术自20世纪90年代商业化启航以来，已实现了质的飞跃：打印尺寸跃升至米级，激光器配置多达数十台之巨，可轻松实现数百金属零部件的一次成型。

从初露锋芒的青涩，到今日辉煌璀璨的成就，增材制造技术不仅拓宽了工业制造的广袤边界，更以其独有的非凡魅力，引领着制造业向更高效、更智能的未来阔步前行。

然而，当前增材制造行业或面临发展的短暂停滞。若继续依赖高昂成本的后期检验技术来确保部件达标，或仅以视觉摄像头监控生产稳定，行业发展必将受限。

用户在追求零件质量无瑕的过程中，需进行繁复的后续检查，即“离位”检查。此类检查涵盖CT扫描、X射线检测、三坐标测量、机械性能测试等多种手段。

在航空工业中，持续存在的问题和采用新技术的障碍之一也是质量检测和安全性问题，特别是在使用CT扫描无法检查大型部件的情况下。目前，航空工业中超过50%的部件成本来自于后期加工和离位检测。这种做法既不经济也不适合大规模应用，因为航空工业追求的是标准的制造解决方案。

历史上，LPBF过程一直通过光学图像、长波和短波红外（IR）摄像机以及光敏二极管来监控。这些技术都使用了相对的、未经校准的、主观的数据。尽管每种技术都有其优点，但在寻求过程控制或生产“出生即认证”的部件时，它们也存在限制，因为这需要可重复的、校准的测量，而上述提到的这些技术被认为只是监测技术。

在制造业领域，数据收集务必与客观、基于单位的测量标准紧密相连，否则技术难以跻身制造检验之列。以几何公差的质量保障为例，工程师不依赖零件图片的直观判断，而是运用卡尺、三坐标（CMM）或量规，精准验证零件是否达标。再如CNC数控加工，用户能精确掌握工具旋转或切割的时长，依据过程数据做出明智决策。然而，增材制造恰恰缺乏这种基于单位的制程检验，这成为其在众多质量关键场景中广泛应用的绊脚石。

Phase3D公司针对LPBF工艺量身定制了一种基于单位、客观、校准且可重复的实时检测技术，即边缘检测（Fringe Inspection）技术。该研究成果以专题文章的形式发表在metal AM杂志2024年秋季季刊上。

通过分析这3个测量数据，边缘检测技术能够自动识别并报告粉末层异常情况，如供粉不足、跳动、条纹、部件突出或粉末下落等，如下图所示。同时，它还能检测到熔化异常，比如粉末重新分布、飞溅或扫描图案变化。

它的潜在应用非常广泛，但是要在第一次、第二次甚至第三次尝试时就实现完美的打印是一个重大挑战，因为设计师和工程师不断在探索可行性的极限。例如，设计师可能希望减少支撑结构的使用或设计出更薄的壁结构来支撑更厚的特征。然而，这两种方法在打印过程中都可能引起热变形，导致零件翘曲，这可能会对刮刀和后续的零件或几何形状产生不利影响。尽管这些设计元素可以简化后处理或提高零件性能，但它们在打印阶段可能会引入严重问题。

边缘检测技术是一种在制造过程中使用的工具，它可以识别出零件在生产时的变形等问题。这项技术能够帮助用户在零件第一次打印时就快速地找出问题的原因，从而加速产品的设计和改进过程。

以往，在分析零件故障的原因时，会有很多不确定的因素，但通过使用边缘检测技术，用户可以实时监控到问题，并迅速进行调整和修复。对于那些在打印过程中能够自我修复的零件，边缘检测技术尤其重要，因为它可以帮助理解内部结构的变化和异常。

即使在零件打印成功后，也需要建立一套质量保证系统来确保后续的产品打印能够保持一致的高质量标准。边缘检测技术为正在开发新产品的企业提供了一种客观的检测手段，能帮助识别产品在哪些部位、在哪个时间点可能出现问题，从而允许客户从第一次打印开始，就对整个生产过程进行控制，确保即使经过成千上万次的生产，产品依然能够保持高质量。

在这一过程中，用户需要进行广泛的测试，包括密度、热处理、组织、力学性能、气密性和抗腐蚀性等，以确保打印出来的部件达到最佳性能。然而，在开发这些参数的过程中，可能会遇到各种打印异常，这些异常在打印过程中可能未被及时发现。由于缺乏现场检测数据，对这些有缺陷的原因分析通常很困难。

边缘检测技术是一种能够帮助用户实时测量打印质量并识别影响部件性能的异常情况的工具。通过这种方法，用户可以即时发现并排除那些性能不佳的部件，从而节省时间和成本，因为这些部件不需要进行额外的外部检测就能被识别并剔除。

在参数开发的过程中，用户能够识别导致零件或几何形状损坏的根本原因，这些原因可能和设定的参数无关。例如，在一个打印过程中，观察到一个重复出现的铺粉条纹问题。经过进一步分析，发现是由于刮刀损坏导致的，而并非参数设置不当。通过CT扫描发现，受铺粉条纹影响的区域孔隙率较高。

如果缺少边缘检测系统，用户可能无法通过肉眼或常规的图像识别系统察觉到这种细微的铺粉缺陷。这意味着，由于无法准确反映实际性能，因此遴选出来的参数可能并不是最优解。

通过测量整个打印过程，包括每一层的真实厚度，用户能够量化在整个层面上铺展了多少粉末。随着增材制造行业致力于更快地制造零件，使用大层厚变得非常有价值。这项技术还可以用来测试更厚的层，并理解它们对零件性能的影响，以及对不同几何形状的影响。未来，用户将能够在一次打印中收集所有必要的数据，以验证一组参数，而不是通过多次打印来调整新材料或性能要求的参数。

边缘检测软件能够提供精确的单元级测量数据，帮助用户识别出可能导致打印失败的异常情况。这与以往更多依赖于经验的检查技术相比，是一次重大的技术进步。例如，美国空军和NASA使用边缘检测技术来识别零部件中的孔隙问题。通过与CT扫描数据对比，他们验证了边缘检测技术在检测孔隙度方面的有效性。

NASA研究人员设计了一个小角度悬垂结构，用来模拟打印环节的异常情况，即在铺粉过程中可能出现的问题。使用Fringe Operator来将这些异常情况可视化，并依据异常区域的面积大小和绝对高度来对它们进行排序，如下图所示。

为了进一步验证这些异常与实际缺陷之间的关系，使用了CT扫描实测数据进行对比。通过这两项研究，研究人员发现，通过高度图识别出的异常与CT扫描检测到的缺陷之间有很高的相关性。

金属增材制造在很多方面仍然处于发展的初级阶段，尤其是在对制造过程进行实时检测方面。随着边缘检测技术的发展，人们开始尝试提高金属增材制造的质量和效率。

对于操作人员而言，边缘检测技术能够提供第一层铺粉状态或基板面水平度的量化数据。这种技术提供了详细的数据，使得每次打印都可以和实际的合格性标准进行比较，确保每次打印的质量。未来增材制造领域将更加依赖检测技术，制造商应考虑如何将检测技术融入他们的工艺流程中，而不仅仅是拍照存档。