增材制造之六西格瑪質(zhì)量管理（三）

來源：江蘇激光聯(lián)盟

導讀：接上文,，本文繼續(xù)探討6s管理對AM的分析數(shù)據(jù),。

▲圖7. 6S質(zhì)量管理的DMAIC方法論

在DMAIC(Define, Measure, Analyze, Improve, and Control)方法中,，測量步驟旨在從 AM 過程中的關(guān)鍵變量中收集數(shù)據(jù),，例如：1) 過程輸入變量（例如,，金屬粉末的特性和設(shè)計參數(shù)）,；2) 原位變量（例如,，機器設(shè)置、分層成像和熱圖）,；和 3) 處理輸出變量（例如,，構(gòu)建后 CT 掃描）。現(xiàn)代制造業(yè)已經(jīng)投資于先進的傳感和測量系統(tǒng),，以應(yīng)對 AM 的高度復雜性,，并提高從原材料、制造過程到最終產(chǎn)品的關(guān)鍵變量的信息可見性,。小批量高混合生產(chǎn)對 AM 質(zhì)量管理提出了特定挑戰(zhàn),。通過“測量增材制造”步驟中隨時可用的豐富數(shù)據(jù)，這為“分析”步驟提供了一個機會,，以深入了解增材制造過程的當前狀態(tài)和性能,。在該研究中，可以在線（即在逐層制造過程中）或離線（即,，預構(gòu)建材料表征或構(gòu)建后 CT 掃描）收集數(shù)據(jù),。離線測量允許檢查質(zhì)量，但在幫助過程中更正或修復的能力方面受到限制,，因為缺陷通常已經(jīng)嵌入到構(gòu)建中,。在線傳感捕捉過程與機器交互的動態(tài)，并為動態(tài)控制動作提供更高水平的靈活性,。在“測量”步驟中收集的數(shù)據(jù)可以以不同方式可視化,，以提供有關(guān) AM 過程的可理解信息，例如,，圖像堆棧,、3D點云、直方圖,、網(wǎng)絡(luò)表示以及傅立葉和小波變換,。有效的可視化進一步有助于“分析”步驟，以估計和提取有關(guān)過程可變性或產(chǎn)品缺陷的顯著特征,。

預構(gòu)建測量和表征
圖8顯示了關(guān)于材料,、工藝和產(chǎn)品的 AM 認證流程的廣泛表示。金屬粉末用作 LPBF AM 機器的輸入,。要避免“垃圾進,，垃圾出”的情況,，材料條件是必不可少的。標準的粉末表征技術(shù)包括 X 射線光電子能譜,、篩分分析,、惰性氣體融合、掃描電子顯微鏡,、激光衍射和差熱分析,。這些技術(shù)允許從三個主要方面表征粉末：顆粒形態(tài)和分布（例如形狀、表面粗糙度或尺寸）,、粉末化學（即元素組成）和粉末微觀結(jié)構(gòu)（例如孔隙率和流變學）,。金屬粉末取樣的標準做法由標準組織提供，例如 ASTM International B215 和金屬粉末工業(yè)聯(lián)合會 (MPIF),。這些取樣標準提供了實用指南,，可從整批中獲取代表性樣品，然后應(yīng)用粉末表征技術(shù)來測量粉末特性,。此外,，制造商將能夠利用表征結(jié)果對供應(yīng)商提出要求、選擇最佳供應(yīng)商并改進粉末再利用實踐,。

▲圖8. 關(guān)于材料,、工藝和產(chǎn)品的 AM 認證流程的表示

原位傳感和測量

▲圖9. 用于監(jiān)控 Commercial ProX 320 PBFAM 系統(tǒng)的多傳感器套件圖示

分析數(shù)據(jù)
“分析”步驟側(cè)重于從“測量”步驟中收集的在線和/或離線數(shù)據(jù)或從 AM 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中可用的歷史數(shù)據(jù)中提取有用信息。主要目的是探索 AM 過程中關(guān)鍵變量（即過程輸入,、輸出和過程中變量）之間的相互關(guān)系,，對這些變量之間的因果關(guān)系和質(zhì)量問題建模，并進一步了解它們?nèi)绾纹鹱饔眠^程可變性和產(chǎn)品缺陷,。換句話說,，增材制造過程中可能存在多種可變性來源，并可能導致產(chǎn)品和客戶服務(wù)的質(zhì)量問題,�,！胺治觥辈襟E有助于描述和確定質(zhì)量問題的隨機原因和可歸因的原因。如果過程中只出現(xiàn)隨機原因（即不可分配的因素,，無法識別）,，那么分布應(yīng)該是正態(tài)的。但是,，如果存在可歸因的原因,，那么“分析”工具應(yīng)該能夠監(jiān)控過程并檢測過程性能何時以及如何受到影響。因此,，可以停止該過程以尋找可歸因的原因并消除它們以恢復正常生產(chǎn),。

然而，先進的傳感系統(tǒng)從 AM 質(zhì)量管理的“測量”步驟中帶來越來越復雜的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),，這些數(shù)據(jù)不同于傳統(tǒng)制造環(huán)境中生成的幾何特征,、線性和非線性輪廓,。例如，CT 掃描和分層成像會產(chǎn)生來自 AM 過程的高維圖像輪廓,。因此,，傳統(tǒng)的“分析”工具（例如控制圖和置信區(qū)間）在處理此類高維圖像配置文件的能力方面受到限制。在批量制造的環(huán)境中,，對于單個隨機變量或多個變量（例如,，產(chǎn)品的幾何特征）建立控制圖和置信區(qū)間要容易得多，但對于高維圖像則更難建立,；更不用說這些圖像中的幾何結(jié)構(gòu)可能會在 AM 構(gòu)建中從一層到另一層有所不同,。因此,，迫切需要新的“分析”工具來幫助處理和連接大量數(shù)據(jù),，對關(guān)鍵過程變量之間的因果關(guān)系進行建模，并查明 AM 過程中質(zhì)量問題的潛在根本原因,。反過來,，這將有助于“改進”步驟，以進一步確定和制定新的質(zhì)量改進策略,。然后可以設(shè)計新的實驗來測試這些改進策略在物理 AM 機器或計算機模擬模型上的有效性

▲圖10. 薄壁結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)（即方向,、寬度、高度和剖面線圖案）圖示

如圖10所示,，研究人員在本實驗研究中制造了三個薄壁部件,，每個部件包括25個薄壁。構(gòu)建板上的三個薄壁部件的方向不同,。換句話說,，每個薄壁部分的取向相對于EOS機器中的涂布機刀片的行進方向被調(diào)整為0°、60°或90°的度數(shù),。制造完成后,，我們使用 XCT 掃描每個構(gòu)建。然后將這些 XCT 圖像與原始 CAD 模型配準,，以提取薄壁每一層的質(zhì)量特征（例如,，邊緣粗糙度和缺陷水平）。這里,，邊緣粗糙度是指 CT 掃描和 CAD 設(shè)計之間構(gòu)建邊界的幾何偏差,。缺陷等級是指薄壁各層缺陷的數(shù)量和程度。這些質(zhì)量特性從一層到另一層進行跟蹤,，以檢測即將發(fā)生的薄壁破壞

通過對 XCT 數(shù)據(jù)和過程成像數(shù)據(jù)的分析,，實驗結(jié)果表明，薄壁零件的構(gòu)建質(zhì)量受設(shè)計參數(shù)（高度,、寬度和高長比）和機器設(shè)置（孵化和重涂）的影響方向）,。本研究有助于提供一套關(guān)于使用 LPBF 機器制造薄壁結(jié)構(gòu)的設(shè)計指南,，如下所示。

0° 方向使薄壁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量優(yōu)于其他方向,。當重涂機刀片的行進方向平行于薄壁的長邊時,，產(chǎn)生的缺陷較少。構(gòu)建薄壁結(jié)構(gòu)時應(yīng)避免 90° 方向,，這會導致重涂機運動垂直于薄壁的長邊,，從而產(chǎn)生更多缺陷。

薄壁的高度不應(yīng)超過其寬度的九倍,。否則,，這種薄壁結(jié)構(gòu)往往會倒塌。本實驗中的 LPBF 機僅限于構(gòu)建寬度小于 0.15 mm 的薄壁結(jié)構(gòu),。如果長寬比超過 73（11 毫米/0.15 毫米）,，薄壁也容易坍塌。

本研究試圖回答有關(guān)設(shè)計復雜性是否以及如何影響增材制造薄壁結(jié)構(gòu)質(zhì)量特性的研究問題,。為了優(yōu)化增材制造的工程設(shè)計,，還有更多的研究要做。例如,，必須針對不同的 LPBF 機器,、工藝條件或具有懸垂結(jié)構(gòu)的薄壁概括設(shè)計指南。

本文來源：Hui Yang et al, Six-Sigma Quality Management of Additive Manufacturing, Proceedings of the IEEE (2020). DOI: 10.1109/JPROC.2020.3034519