增材制造之六西格玛质量管理（二）

来源：江苏激光联盟

接上文六西格玛质量管理在增材制造中的应用起源：https://www.nanjixiong.com/thread-147448-1-1.html，本文继续探讨6s管理对AM的测量。

如今，6S 概念（例如，6S 设计、精益生产和减少变异）已被广泛用于提高许多业务流程的能力。6S计划的发展经历了如下三个阶段。
第一阶段：解决过程监控、缺陷消除和可变性减少。
第二阶段：降低总生产成本并提高系统性能。
第三阶段：强调为企业组织创造价值。

然而，通过直接从客户的数字设计中实现小批量-高混合生产（甚至是独一无二的生产），AM朝着高水平的定制迈进，从而实现了“一体经济”。不再像传统的大规模制造模式那样使用相同设计生产的大量零件来建立和测量过程可变性。因此，大规模制造的6S实践在普遍适用于AM的能力方面往往受到限制。迫切需要推进AM 6S计划的下一阶段。图4显示了定制设计的小批量-高混合生产方案，该方案只能制造一次或小批量制造。请注意，零件几何形状存在显着的层间变化。AM 提出了新的 QA/QC 挑战：大规模定制、小批量生产以及零件几何形状的层间变化。特别是，由于增材制造中的定制设计和逐层制造，每一层在零件几何形状方面都不同的情况并不少见。因此，很难表征和测量从一层到另一层或从一个构建到下一个构建的过程可变性和可重复性。

▲图4. 小批量-高混合生产方案，用于三维打印中零件几何图形逐层变化的定制设计

AM的逐层制造方法给QA/QC 带来了重大挑战。许多增材制造工艺使用金属粉末原材料，其中颗粒大小和形状因批次而异。此外，激光或电子束被用作 LPBF和DED的加热源。光束强度和直径的轻微变化会导致不同机器之间以及构建板上不同位置的相同机器之间的可重复性问题。因此，影响过程最终结果的每个参数都必须根据所使用的材料进行调整。此外，增材制造系统在制造零件时可以使用不同的层厚。使用100μm层厚的2厘米高物体将需要200层。如果层厚度为50μm，则层数将为400。这些层中的每一层都有失败的机会。即使单层有缺陷的可能性很小，整个构建也有至少一个缺陷的可能性很高。

值得注意的是，这个例子假设每一层都是相互独立的。然而，AM 从一层到另一层是高度相关的。换句话说，一层中的缺陷可以在后续层的处理过程中得到纠正，或者会对下一层和所有后续层产生负面影响。这类似于传统制造模式中的多级装配线。在汽车工业中，车身装配通常涉及一系列装配操作。一个组装步骤中的变化可能会在以下步骤中引入一系列变化。然而，多级组装操作的物理原理与每层具有LPBF的多层AM不同。多阶段制造系统的6S程序通常会分析过程的当前状态，然后使用统计方法和工具逐步提高系统性能。

为AM建立6S范式需要新的创新来应对这些新出现的质量挑战，包括大规模定制、小批量生产、层间变化和多层制造工艺，这些在从传统的大规模生产转向新的生产过程中是独一无二的。“测量”需要在AM的不同阶段设计和开发用于材料、工艺和构建后检查的新传感器技术。“分析”应该能够处理和连接在AM产品生命周期中生成的大数据。“改进”要求通过物理机器上的统计DOE、AM 过程和/或模拟模型上的计算机实验，更好地理解过程物理和潜在现象的本体论知识。“控制”应考虑增材制造中多层制造工艺的顺序决策问题，并进一步解决增材制造的多目标优化问题，例如，最大限度地降低LPBF工艺中消耗的总成本（例如，能源或时间）并最大限度地提高质量最后部分。6S质量管理的新科学基础将影响AM的生产规模可行性，并使AM能力的开发能够超越当前的快速原型制作现状。

此外，宾夕法尼亚州立大学的CIMP-3D开发了一个多传感器套件，用于监控和控制商用3D System ProX 320 PBFAM系统，如图5所示。该多传感器套件也在3D Systems ProX 200、EOS M280、和 GE Concept Laser M2机器。该系统由多种传感器组成，如下所示：

• 高分辨率/高倍率成像系统（六种不同的照明方案）；
• 两个高速/高倍率摄像头，包括一个带 405-nm 滤光片的同轴摄像头和一个带 520-nm 滤光片的前置摄像头；
• 高速视频（> 33 000 fps）；
• 光学过程发射（100 kHz），包括光谱仪和多光谱传感器；
• 声学传感器（100 kHz）；
• 热成像和 DMP 熔池传感器。
  

▲图5. 用于监控Commercial ProX 320 PBFAM系统的多传感器套件图示

如图6所示，AM的构建后质量检查和功能完整性评估通常使用基于射线照相的计算机断层扫描 (CT) 进行。在该研究中，使用 GE vTomex M300 微焦 X 射线 CT (XCT) 扫描仪收集AM构建的CT扫描，并使用 Volume Graphic myVGL3.0 软件进行处理，以提取 AM 构建中每一层的二维图像配置文件。

▲图6. 用于构建后检查的基于射线照相的CT

在增材制造试件和零件开发过程中，会动态生成、交换和使用大量数据。随着数据量随着原位传感和无损检测 (nondestructive examination, NDE) 的增加而增长，AM 活动生成的数据类型也变得更加丰富。AM工艺认证所需的信息不仅包括测量数据，还包括材料/机器规格、设计模型、控制和管理数据。表征整个AM过程需要在完整的 AM 价值链的背景下，对通过数千个零件和优惠券的构建历史收集的所有信息进行全面分析。因此，它需要一个有效且高效的AM数据管理系统，以确保正确捕获、存储和使用数据。

未完待续