Stratasys旗下3D打印服务机构验证VELO3D的质量跟踪系统

作为金属3D打印领域的明星企业，VELO3D以无支撑制造和Assure过程质量控制系统闻名，为了检验后者是否确如官方宣传那样有效，Stratasys Direct花费12周时间对Assure质量控制系统进行了现场测试评估，验证了该系统对构建监控完整性、材料性能预测准确性以及过程数据的采集效果。

VELO3D多方位的质量保证体系

基于制造过程的质量跟踪系统

3D打印虽然在原型制造领域已经使用了数十年，但是其转向最终生产的速度却非常缓慢。3D打印的单个零件可能能够满足要求，但从单个零件到批量生产一直存在挑战，这是因为终端用户对3D打印过程的质量控制一直缺乏信心，而服务商又难以证明零件的安全性。

当前验证零件是否合格的主要方式是对产品进行破坏性测试，这对于生产制造而言无疑太过昂贵。建立制造过程的质量保证体系可谓是解决当前瓶颈的有效手段。

在粉末床激光熔融技术中，金属零件逐层打印。每一层可能具有数百万个像素或图案填充，每个零件通常由数千层构成，这就产生了数十亿个数据点—从而具有巨量的引入缺陷的机会，但也有机会使用正确的计量和软件套件来测量打印的质量。Aursure作为VELO3D Sapphire（蓝宝石）打印机的质量跟踪系统，提供直观的用户界面来解释大量的多传感器实时过程数据，跟踪系统的健康状况，并对零件质量进行预测，增强用户对材料性能的信心。

评估质量保证系统的有效性

任何增材制造质量跟踪系统的最终目标都是支持制造符合规格的零件。VELO3D的Assure系统使用基于物理的实时偏移检测算法来预测每个零件的材料特性。Stratasys Direct与VELO3D的工程师合作，通过将缺陷引入测试零件中，进行实际检测来验证Assure质量跟踪系统对在生产环境中的有效性。

通过减少氩气流、改变激光焦点和粉末床厚度来引入缺陷。在每个实验期间，都有对照样品作为评估基线。每次构建后，将零件沿X-Z方向切割成1-2mm的样块。使用Nikon XT V 160 X射线系统测量整体孔隙率。图1显示了含缺陷和不含缺陷的样品的X射线图像。

图1.正常打印与故意引入缺陷的X射线图像

两家公司共同收集了Assure的数据集以及零件的实际性能数据，以用来评估Assure的预测结果与观察到的实际零件性能的相关性。通过持续分析熔池数据并将其与多个生产运行因素相关联，工程师可以实时生成具有统计意义的现象规律。

VELO3D的工程师制作了一个测试结构，其形状类似楔形（20mm x 41mm），尺寸较小，跟随Stratasys Direct的实际生产任务一起执行。这些测试结构在垂直方向“堆叠”形成一个塔楼，每项验证建造都有两个测试塔，每台激光器分配一个。将这些楔形物从构建板上取下后可以用手将其分开。样品的几何形状如图2所示，其设计便于进行破坏性测试。

图2.将测试结构添加到生产任务中进行破坏性测试

将Stratasys Direct和VELO3D收集的数据一起绘制，图3显示了Assure孔隙率预测值与实际整体孔隙率结果之间的相关性。在生产条件下，Stratasys Direct的蓝宝石3D打印机所制造的零件致密度非常高（由空心的蓝色方块表示），对光束尺寸的调整并不足以引入缺陷（两个蓝色实心数据点位于无空隙区域），而对氩气流量的调整则出现了大量孔隙。

图3.在Stratasys Direct上运行的体积/孔隙率（x射线）与assure孔隙率预测的对数/线性图

这意味着蓝宝石打印机的激光光斑尺寸处理窗口很大。数据表明，Assure质量控制系统对于孔隙率的预测和实际测量值是一致的。

Assure对于生产任务的孔隙度预测结果如图4所示，很明显，这些零件的预测缺陷率相对恒定，并且在所有层中都很低。唯一的偏差发生在865层的496号样件。随后对打印中断的分析表明，该层出现了紧急停止事件，需要重新启动打印。该中断在Assure孔隙率预测数据中清晰可见，显示为异常熔体。然而，X射线分析表明，该层未出现任何熔合缺陷，表明熔合过程的偏差不足以导致缺陷。

图4.Assure对每层孔隙率的预测数据

为了充分利用孔隙率预测作为零件质量的评价标准，Stratasys Direct希望制作一个具有两个轴的四象限图：一个代表实际体积孔隙率，一个代表预测孔隙率。理想情况下，目标材料特性线以上的所有数据点都应显示高于已建立阈值的预测水平。

但是实际的测量结果显示，可以建立这种相关性，但无法创建确定的线性阈值，也即大体趋势是可以预测的。Stratasys Direct团队和VELO3D将继续合作，完善传感器数据处理算法，以期实现更精确的测量。