來(lái)源：3D科學(xué)谷

檢測(cè)對(duì)于增材制造行業(yè)的作用在逐漸顯現(xiàn)，不僅是檢測(cè)的價(jià)值還有大數(shù)據(jù)的價(jià)值，這對(duì)于產(chǎn)品從質(zhì)量管理（輸入端的原材料，加工過(guò)程，加工結(jié)果，后處理的最終產(chǎn)品）到對(duì)工藝的理解和提升（通過(guò)數(shù)據(jù)相關(guān)性的分析，人工智能對(duì)檢測(cè)以及其他數(shù)據(jù)的處理），再到后期的認(rèn)證（怎么通過(guò)航空，汽車等領(lǐng)域的各種認(rèn)證），檢測(cè)正在發(fā)揮增材制造的生命線的作用。

而如何發(fā)揮生命線的作用，僅僅憑著檢測(cè)所獲得的數(shù)據(jù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，數(shù)據(jù)是死的，需要有算法來(lái)挖掘數(shù)據(jù)的價(jià)值。基于數(shù)據(jù)可以構(gòu)建加工過(guò)程參數(shù)優(yōu)化，可以通過(guò)系統(tǒng)研究不同參數(shù)設(shè)置對(duì)所需結(jié)果（孔隙率，表面光潔度等）的影響來(lái)完成。當(dāng)然，要實(shí)現(xiàn)通過(guò)檢測(cè)數(shù)據(jù)提高對(duì)工藝的控制，還有很長(zhǎng)的路要走。在3D科學(xué)谷看來(lái)，這其中不僅僅包括基于大數(shù)據(jù)的算法能力的挑戰(zhàn)，還包括對(duì)檢測(cè)技術(shù)精確度和速度的挑戰(zhàn)。

關(guān)于檢測(cè)與算法的結(jié)合如何用到產(chǎn)品的質(zhì)量管理上，本期谷.專欄特別推薦materialise的一篇案例《利用CT（計(jì)算機(jī)斷層掃描）提高渦輪增壓器葉輪的金屬3D打印質(zhì)量》 。

為金屬部件尋找正確的工藝參數(shù)

質(zhì)量是當(dāng)下增材制造行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)，企業(yè)正通過(guò)大力投資數(shù)字化解決方案來(lái)改進(jìn)質(zhì)量。過(guò)去的幾年里，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益方面我們看到了很多的進(jìn)步，但每個(gè)專業(yè)的金屬3D打印工程師都知道，目前還有不少問(wèn)題需要解決，才能夠?qū)?fù)雜部件的質(zhì)量進(jìn)行認(rèn)證。本期，通過(guò)分享Materialise 3D打印葉輪的案例，來(lái)領(lǐng)略復(fù)雜零部件質(zhì)量認(rèn)證與控制的思路與方法。

渦輪增壓器通常用于提高諸如汽車上的內(nèi)燃機(jī)（ICE）的效率和功率輸出。渦輪增壓器通常包含安裝在公共軸上的兩個(gè)葉輪：其中一個(gè)葉輪用作渦輪，而另一個(gè)葉輪用作壓縮。

圖片：渦輪增壓器中的兩個(gè)葉輪，來(lái)源Materialise

在運(yùn)行過(guò)程中，葉輪高速旋轉(zhuǎn)并處于高溫下，出現(xiàn)疲勞是一個(gè)很現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題。采用增材制造設(shè)計(jì)的部件相比鑄造部件質(zhì)量更輕，能實(shí)現(xiàn)葉輪更高的轉(zhuǎn)速和更好的性能。最小化孔隙率并實(shí)現(xiàn)具備嚴(yán)格幾何公差的精準(zhǔn)制造對(duì)于確保部件的長(zhǎng)期運(yùn)行至關(guān)重要。

在用3D打印制造葉輪時(shí)，需要明確兩個(gè)目標(biāo)：

第一個(gè)目標(biāo)是最大限度地減少打印過(guò)程中的熱形變，并確保部件的對(duì)稱性。不對(duì)稱的葉輪會(huì)導(dǎo)致效率降低，在最壞的情況下還可能造成災(zāi)難性的損壞。

第二個(gè)目標(biāo)是保持低孔隙率；Materialise的目標(biāo)是讓葉輪的密度高于99.9％。這對(duì)于做過(guò)減重優(yōu)化的零件尤為重要，因?yàn)橄鄬?duì)來(lái)說(shuō)孔隙率對(duì)疲勞壽命影響更大。

為了實(shí)現(xiàn)3D打印葉輪的這些質(zhì)量目標(biāo)，Materialise與Volume Graphics合作，該公司提供對(duì)X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和可視化的軟件。CT是一種非破壞性成像技術(shù)，可以提供被測(cè)量部件尺寸（例如大小、形狀、表面質(zhì)量）和材料結(jié)構(gòu)（例如孔隙率、雜質(zhì)、缺陷）的信息。因此，CT是檢查3D打印部件的理想選擇。在與Volume Graphics的合作中，Materialise使用CT快速可靠地獲取檢測(cè)數(shù)據(jù)，從而能夠優(yōu)化AM增材制造工藝參數(shù)，為此，Materialise還基于研究成果設(shè)計(jì)了專門的工作流程。

加速3D打印工作流程

優(yōu)化葉輪3D打印的工作流程如下：

- 通過(guò)Magics仿真模塊，模擬打印過(guò)程

- 基于仿真結(jié)果優(yōu)化擺放角度和支撐位置

- 使用過(guò)往經(jīng)驗(yàn)來(lái)調(diào)整通用參數(shù)集（基于最小化簡(jiǎn)單立方體的孔隙度）。選擇了三個(gè)調(diào)整后的參數(shù)集。

- 根據(jù)每個(gè)參數(shù)集打印一個(gè)葉輪。對(duì)葉輪進(jìn)行CT掃描，然后使用Volume Graphics的VGSTUDIO MAX軟件確定掃描部件的尺寸與原始工程設(shè)計(jì)的偏差，計(jì)算部件孔隙度并找出缺陷。

左 - Magics視圖下帶有支撐結(jié)構(gòu)的葉輪

中 - 在Magics仿真模塊中模擬得到的尺寸偏差

右 - 通過(guò)Volume Graphics使用VGSTUDIO MAX軟件獲得的CT數(shù)據(jù)與原始工程設(shè)計(jì)的實(shí)際對(duì)比

來(lái)源：Materialise

CT掃描對(duì)部件尺寸的評(píng)估證實(shí)了Magics 仿真模塊所預(yù)測(cè)的尺寸偏差，這表明Materialise成功實(shí)現(xiàn)了葉輪部件的對(duì)稱性。

通過(guò)在Volume Graphics的VGSTUDIO MAX軟件中進(jìn)行CT掃描和后續(xù)分析展現(xiàn)3D打印葉輪的孔隙率，來(lái)源：Materialise

在VGSTUDIO MAX中對(duì)CT掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行的孔隙度分析表明，使用最佳參數(shù)組可實(shí)現(xiàn)0.09％的部件孔隙率，滿足我們99.9％的密度目標(biāo)。當(dāng)Materialise對(duì)孔隙度進(jìn)行3D可視化后，發(fā)現(xiàn)孔隙很小并且在部件內(nèi)均勻分布——這是改善疲勞壽命的最佳情況。

Magics仿真模塊和VGSTUDIO MAX軟件CT掃描數(shù)據(jù)分析的結(jié)合使用，讓Materialise可以快速找到最小化局部孔隙率并提高部件質(zhì)量的打印參數(shù)。

小結(jié)

通過(guò)將X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）數(shù)據(jù)與工程設(shè)計(jì)和仿真結(jié)合起來(lái)，Materialise能夠在短短幾周內(nèi)快速找到最佳的文件準(zhǔn)備參數(shù)，并完成這一復(fù)雜部件的3D打印。Materialise再次驗(yàn)證了該部件已精確打印且孔隙率最小。Materialise和Volume Graphics軟件的結(jié)合使用讓3D打印的葉輪能夠穩(wěn)定且長(zhǎng)期運(yùn)行成為可能。

Materialise的研發(fā)項(xiàng)目經(jīng)理Tom Craeghs