共聚焦白光干涉儀 用于表征增材制造中的工藝誘導(dǎo)形狀和表面紋理變化

在過去十年中，增材制造因其相對于傳統(tǒng)減材和等材方法的優(yōu)點(diǎn)而被工業(yè)界采用。對于創(chuàng)造復(fù)雜幾何形狀來說，增材制造所提供的可能性使用傳統(tǒng)制造方法是無法實(shí)現(xiàn)的。然而，其存在一些缺點(diǎn)，如缺乏標(biāo)準(zhǔn)化、難以控制生產(chǎn)出樣品的尺寸和表面性質(zhì)以及在大多數(shù)情況下需要后續(xù)處理步驟等。在本研究中，我們希望通過測量形狀和表面紋理，來測量單個(gè)參數(shù)在制造部件最終性能上可能產(chǎn)生的改變。

研究1.作為工藝參數(shù)（材料及其他）函數(shù)的
形狀偏差

對于本研究案例，我們使用“選擇性激光熔化”技術(shù)兩次生產(chǎn)相同的試樣，但是使用了兩種不同的材料。我們希望藉此看到這種變化對制造零件的整體形狀將會產(chǎn)生的影響。我們選擇鈦合金Ti6Al4V和鋁合金AlSi10Mg作為我們的測試材料，原因是它們在航空和醫(yī)療行業(yè)廣泛使用[1]。

通過S wide，我們測量了這兩個(gè)樣品以及一個(gè)參考樣品，并用3D比對軟件對它們進(jìn)行比較。

圖1.制造樣品的照片及其3D比對的屏幕截圖（左：Ti6Al4V。右：AlSi10Mg）

3D比對顯示了SLM制造零件相對于參考的差異。我們可以看到，在樣品幾何形狀的邊緣可見更大的偏差，但使用這兩種材料整體形狀得到了保持。然而，由于球化效應(yīng)的原因，由鋁合金制成的樣品在表面的某些部位顯示出一些較高的偏差[2]。

我們還進(jìn)行了類似的測試，但這一次使用的兩個(gè)樣品使用相同材料制造，同時(shí)改變了SLM機(jī)器的一個(gè)內(nèi)部參數(shù)（光束補(bǔ)償）。由于這次的預(yù)期偏差更小，我們使用CAD文件而不是參考樣品作為3D比對的參考。

實(shí)際上，這將是控制生產(chǎn)的*適當(dāng)?shù)姆绞剑涸贑AD模型中的不同區(qū)域設(shè)置一些公差，然后據(jù)此分析生產(chǎn)的部件。

圖2.相同試樣兩個(gè)不同單元的表面形貌和CAD比對（3D和2D橫截面）

在圖2中，我們可以看到一個(gè)樣品和另一個(gè)樣品之間的差異，一些關(guān)鍵點(diǎn)被突出顯示。 我們還可以選擇一個(gè)橫截面，并分析每個(gè)樣品中的輪廓如何得到修改。下一步將是返回制造工藝，調(diào)整參數(shù)，使輸出始終符合我們的預(yù)期。

研究2.作為打印角度函數(shù)的表面紋理變化

制造零件的表面紋理可能對其功能性能至關(guān)重要。因此，了解增材制造工藝中的不同變量可能會如何影響不同的表面紋理參數(shù)是一個(gè)熱門研究主題。

對于第二個(gè)案例研究，我們制造了另一個(gè)試樣的不同單元（1 cm x 1 cm，厚2-mm的正方形），但改變了打印角度。這是制造商和研究人員當(dāng)中的一種常見測試，他們使用增材制造來了解機(jī)器在這些情況下的性能。

我們使用我們的 S neox 3D optical profilometer 光學(xué)輪廓儀并垂直于光軸定位這些樣品，測量不同樣品在若干位置上的表面紋理。然后根據(jù) ISO 25178 使用相同的排料指數(shù)來篩選測量值，以確保有意義的比對，最后使用 SensoPRO software 軟件來確定哪些參數(shù)造成了每組測量值的差異。

圖3.不同打印角度的示意圖，以及測量組A （25o打印角度的樣品）、測量組B （40o打印角度的樣品）和測量組C （55o打印角度的樣品）測得的表面粗糙度參數(shù)

結(jié)果表明，當(dāng)印刷角度變化時(shí)，造成表面紋理很大的變化。更具體而言，我們的結(jié)論是Sdr（展開面積比）是改變最多的參數(shù)之一，這與參考文獻(xiàn)[3]相一致。Sdr參數(shù)在與增材和包覆相關(guān)的應(yīng)用中非常重要，因此打印角度對于功能性能與粘附和包覆相關(guān)的增材制造表面（例如疏水表面）將會十分關(guān)鍵。

在我們的第一項(xiàng)研究中，我們能夠表征增材制造工藝的一個(gè)單個(gè)參數(shù)可能如何改變生產(chǎn)出樣品的形狀。在第二項(xiàng)研究中，我們還能夠通過識別特征表面紋理參數(shù)來定量區(qū)分以不同角度打印的樣品。

具有“光柵投影”技術(shù)的S wide system, 系統(tǒng)被用于形狀測量，而S neox則被用于表面粗糙度測量。在S neox的案例中，由于“Ai變焦”技術(shù)所具有的速度和HDR模式，被選擇作為測量微米級粗糙度的適當(dāng)技術(shù)。然而，從完工表面到拋光后續(xù)處理表面，共聚焦和干涉技術(shù)（也包括在同一系統(tǒng)中）正被用于表征各種增材制造部件。由于在同一系統(tǒng)中集成的不同光學(xué)計(jì)量技術(shù)，S neox的多功能性已被證明具有極大助益。