蔡司助力提高增材制造質(zhì)量之顯微鏡解決方案

增材制造與每一項新興技術(shù)一樣，整個過程的質(zhì)量控制是一項非常重要的任務(wù)。包括原材料特性以及成品的質(zhì)量控制和其間的流程控制都是為了確保制造過程質(zhì)量所必不可少的。蔡司顯微鏡在粉末和材料表征、印后熱處理和部件去除、缺陷和內(nèi)部結(jié)構(gòu)檢查、印后材料質(zhì)量檢驗、尺寸和表面檢驗等方面都創(chuàng)建了全方面的解決方案。其中光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡可以提供材料表面的微米及納米級別的特征視圖，為增材制造的質(zhì)量檢驗、失效分析及材料研究方面提供準(zhǔn)確的信息，高分辨率 X射線顯微鏡可以對內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供微納米級別的信息，可以解決增材制造非常復(fù)雜的內(nèi)表面在質(zhì)檢和研發(fā)過程中遇到的所有挑戰(zhàn)。

增材制造(Additive Manufacturing，AM)技術(shù)是采用材料逐漸累加的方法制造實(shí)體零件的技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的材料去除-切削加工技術(shù)，是一種"自下而上"的制造方法。近二十年來，AM技術(shù)取得了快速的發(fā)展，"快速原型制造(Rapid Prototyping)"、"三維打印(3D Printing )"、"實(shí)體自由制造(Solid Free-form Fabrication) "之類各異的叫法分別從不同側(cè)面表達(dá)了這一技術(shù)的特點(diǎn)。西方媒體把這種實(shí)體自由成形制造技術(shù)譽(yù)為將帶來"第三次工業(yè)革命"的新技術(shù)。

1粉末材料的表征
各種粉末材料作為增材制造的原材料，對其質(zhì)量的把關(guān)是增材制造質(zhì)量控制的第一步。粉末顆粒的尺寸大小、尺寸分布、形狀、表面形貌、內(nèi)部致密性等，不僅影響打印后產(chǎn)品的性能而且還會影響整個工藝過程。

√利用蔡司光學(xué)顯微鏡能夠快速得到粉末顆粒尺寸分布信息

√利用蔡司掃描電子顯微鏡能夠獲取極小至納米尺度的顆粒尺寸信息，顆粒表面形貌信息，以及顆粒的成份信息

√利用蔡司 X射線顯微鏡能夠?qū)︻w粒形狀、尺寸和體積分布進(jìn)行詳細(xì)分析。分析粉末床壓實(shí)度與形狀的關(guān)系有助于確定合適的工藝參數(shù)，縮短最佳打印配方的開發(fā)。

2印后產(chǎn)品缺陷與內(nèi)部結(jié)構(gòu)觀察
粉末的質(zhì)量以及在構(gòu)建過程中的分散方式可能會導(dǎo)致產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中形成空隙或材料雜質(zhì)。使用蔡司光學(xué)顯微鏡檢查產(chǎn)品構(gòu)建質(zhì)量或使用高分辨率 X 射線顯微鏡檢查內(nèi)部結(jié)構(gòu)有助于確定工藝參數(shù)的影響，并更快地定義實(shí)現(xiàn)最佳產(chǎn)品質(zhì)量的工藝參數(shù)。

√通過光學(xué)顯微鏡的使用，對產(chǎn)品表面特征的特寫提供了對零件質(zhì)量和工藝參數(shù)可能存在 的缺陷，從而更好地了解微裂紋和分層的起源。

√增材制造為前所未有的設(shè)計自由打開了大門，允許復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。高分辨率 X 射線顯 微鏡能夠?qū)@些結(jié)構(gòu)進(jìn)行獨(dú)特的觀察，并分析潛在的內(nèi)部缺陷。

√ X射線顯微鏡檢測可以提供構(gòu)建完整性的獨(dú)特視圖，并顯著幫助優(yōu)化 3D 打印過程。零件的掃描圖像可以在任何方向上進(jìn)行橫切，并與 CAD 標(biāo)準(zhǔn)圖表進(jìn)行比較。

3印后產(chǎn)品材料質(zhì)量檢測
與傳統(tǒng)的制造方法不同，增材制造工藝要求粉末在制造過程中熔化。因此熔融溫度等工藝參數(shù)極大地影響晶體結(jié)構(gòu)以及零件性能。

√利用光學(xué)顯微鏡表征使用短的局部激光束熔融顆粒的結(jié)構(gòu)形態(tài)

△AlSi10Mg 沿建造方向橫截面

√利用電子背散射衍射（EBSD）的掃描電鏡，可以對晶體或多晶材料進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)的晶體 學(xué)表征和研究。

△EBSD 晶體取向圖，單個晶粒著色，看不見激光加工痕跡

√用于傳統(tǒng)生產(chǎn)和增材制造的原材料，相同的材料可以具有完全不同的晶體結(jié)構(gòu)。這種差異將極大地影響成品零件的機(jī)械性能。

△傳統(tǒng)生產(chǎn)與增材制造 AlSi10Mg 結(jié)構(gòu)的比較

4印后產(chǎn)品表面質(zhì)量檢測
表面粗糙度對零件的機(jī)械和視覺質(zhì)量至關(guān)重要。增材制造的零件可能非常復(fù)雜，隱藏的內(nèi)部結(jié)構(gòu)無法接近。使用高相關(guān)光學(xué)輪廓儀和高分辨率 X 射線顯微鏡，無論在零件內(nèi)部或外部位置進(jìn)行詳細(xì)的表面分析。

√利用光學(xué)共聚焦顯微鏡能夠快速獲取零件表面符合 ISO 測試標(biāo)準(zhǔn)的微觀粗糙度，利用 X 射線顯微鏡能夠獲取零件內(nèi)表面符合 ISO 測試標(biāo)準(zhǔn)的微觀粗糙度

△光學(xué)顯微鏡與 X 射線顯微鏡粗糙度測試結(jié)果比較

來源：蔡司工業(yè)測量