金属印刷における品質管理の側面

3D プリントに関して、私たちが簡単に興奮するのはカスタマイズですが、ほとんどの場合、カスタマイズは 3D プリントの最も魅力的な側面ではなく、むしろ複雑な製品を製造できる 3D プリントの能力です。航空宇宙産業では、軽量化の必要性から複雑な製品が求められることが多く、生命科学分野では、複雑な表面によりインプラントと活性なヒト細胞との適合性も向上します。

しかし、複雑な製品には、品質管理とテストという新たな問題も生じます。多くの場合、これらの 3D プリント部品は、信頼性の高い非破壊検査技術に合格しない限り、応用分野への導入が禁止されています。

画像出典: 3TRPD
部品の形状が複雑なため、現在の超音波エコー検査技術のみを使用して部品が完全に適格かどうかを判断することは困難であり、渦電流プローブは部品表面のすべての部分に到達できないことがよくあります。もちろん、最高の品質管理は事後テストではなく、工程内管理です。現在の工程内管理には、主にいくつかの派閥があります。写真技術と熱画像技術は、最も広く使用されている技術です。

写真

これは現在最も成熟したプロセスであり、EOS の EOSTATE などの金属印刷機器メーカーやサードパーティの品質管理サービスプロバイダーの Sigma Labs によって使用されています。

Sigma Labs の品質管理プロセスを例に挙げてみましょう。ビルドプロセス中、製品は下から上へ (Z 方向) 垂直に印刷されます。 Sigma Labs の PrintRite3D® CONTOUR™ システムは、各印刷プロセスの後に写真を撮影します。製品全体が印刷されると、システムはモデリングプロセスに対応する各層のデジタル画像を撮影します。システムは各層の画像を記録し、コンピューターがその画像を設計されたモデルのスライスと比較します。

さらに、Sigma Labs の PrintRite3D ® INSPECT™ ソフトウェアは、高温計とフォトダイオードを使用して溶融プールの温度を監視し、1) 金属粉末が溶融するときの温度の「上昇率」、2) 溶融プールが最高温度に留まる「時間」、3) 溶融プールが冷却する「速度」という 3 つのプロセス変数を記録します。システムは、これら 3 つの変数をキャプチャすることにより、溶融プールの「電子署名」を生成し、各層の部品の微細構造を X、Y、Z の 3 次元で記録します。

加工時の品質管理では、PrintRite3D® INSPECT™ ソフトウェアを使用し、大量の生産ビッグデータから形成される加工パラメータと製品性能の相関関係に基づいて、生産要件を満たす部品に対応する加工パラメータを「ベンチマークデータ」として取得します。加工パラメータの値は、部品の機械的特性や冶金学的特性と相関関係がない限り、ほとんど意味を持ちません。つまり、この属性データを生成し、その属性データを処理パラメータの「電子署名データ」と相関付けるには、まず大量のテストサンプルを作成する必要があります。これにより、各層の「電子署名データ」は、新たな処理の際に「参照データ」と比較される。

プロセス品質管理における課題は、正しいデータ収集技術と分析機能です。相関分析と回帰分析はどちらも変数間の関係を研究するための分析方法であり、相関分析は 2 つ以上の相関変数要素を分析して 2 つの変数要素間の相関の度合いを測定することを指します。相関分析を実行するには、相関の要素間に特定の接続または確率が存在する必要があります。相関分析は回帰分析の基礎であり、回帰分析は変数間の相関の度合いを理解するための特定の形式です。

PrintRite3D ® INSPECT ™ は、変数回帰範囲外の処理を疑わしい (Suspect) と定義し、回帰範囲内の処理を許容可能な (Accept) と定義します。これは、製造プロセス中の粉末床積層造形技術の品質管理とトレーサビリティを研究するための科学的手法を提供します。

2016 年 12 月、Sigma Labs は、粉末積層技術を使用した 3D 印刷プロセスの品質管理を強化するために、Honeywell と 40 万ドルの新たな契約を締結しました。

さらに、マシンビジョンとデジタル画像処理技術に関しては、この分野への巨額の投資が積層造形業界に利益をもたらし、この目的のための専用研究開発のコストを削減しています。ビジョンシステムの大きな利点は、どの視覚的な手がかり、つまり複雑なデータを積層造形品質管理ソフトウェアに埋め込むことができるかを把握できることです。

熱画像技術

溶融プロセス中、各レーザースポットは微小溶融プールを作成します。粉末の溶融から固体構造への冷却まで、スポットのサイズと電力によってもたらされる熱量によってこの微小溶融プールのサイズが決まり、部品の微結晶構造に影響を与えます。

粉末を溶かすには、十分なレーザーエネルギーを材料に伝達して中心部の粉末を溶かし、完全に密度の高い部品を作成する必要がありますが、同時に熱はレーザースポットの周囲を超えて伝導され、周囲の粉末に影響を与えます。レーザーの後ろの領域の温度が下がると、熱伝導により、軟化しているが液化していない粉末粒子が微小溶融池の周囲に現れます。 Stratonics は、プロセス品質管理の目的を達成する熱画像技術の分野を代表する企業です。

溶融池の熱を監視するために、カメラで層ごとに撮影する方法とは異なり、Stratonics の高解像度熱画像センサーは、LENS 技術と SLM 技術のデュアル波長測定センシング方式に基づいており、結果が正確で、真に効果的な温度測定技術です。これにより、材料が加熱および溶融する際の温度変化、熱伝導および冷却方法に関する詳細なデータを取得できます。データは、加工ジオメトリと相関するマトリックス形式で提示されるため、オペレーターは、レーザー出力、システムスキャン速度、粉末ベッドからのスキャン距離、粉末層の厚さなどを考慮した加工パラメータが完成部品の品質にどのように影響するかを正確に推測できます。

超音波プロセス検出、画像提供元: TWI もちろん、一部の 3D 印刷機器メーカーは、温度を記録するために高温計を使用しています。ただし、波長範囲のせいで、モノクロの高温計は正確でない場合があります。高温計は、広い領域の平均温度のみをユーザーに提供します。これは温度の指標ですが、必ずしも絶対温度の測定値ではありません。 3D Science Valley は、Stratonics のセンサーシステムがステンレス鋼、チタン合金、その他の高温金属の加工時の温度測定に適用でき、モノクロ高温計のような制限がないことを知りました。

Stratonics の ThermaViz リアルタイム制御ソフトウェアは、センサーからのデータフィードバックを使用して、処理プロセスを調整および制御します。処理プロセスによって部品の廃棄や品質の問題が発生することがソフトウェアによって検出されると、フィードバックシステムによって処理パラメータが自動的に調整され、安定した熱出力が確保されます。リアルタイムの熱画像を標準の熱パラメータと一致させることにより、処理プロセスを自動的に調整して、より一貫性のある製品を生産し、より優れた材料の結晶構造を実現できます。

プロセス品質管理の他の手段としては、溶融プール分光法や超音波技術などがあり、現在急速に開発が進められています。

出典: 3D Science Valley 詳しい情報: 熱画像モニタリング - 大型FDM 3Dプリントの品質を効果的に向上できます

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