增材製造通常稱為3D列印，因其獨特的生產複雜形狀的能力而獲得製造業的關注。不需要像衝壓、鍛造和成型那樣的工具，也不會像大多數減材工藝那樣浪費材料。許多單獨的組件可以3D列印為一個整體，從而簡化了生產、組裝和檢查。增材製造零件可以使用多種材料生產，這些材料的強度、耐用性和性能與傳統製造的零件相匹配。
使用從粉末床熔融到粘結劑噴射再到聚合物增材製造的一系列技術，由聚合物、樹脂和金屬等材料逐層成型產品。與小批量和疊代設計應用中的注塑成型和 CNC 加工相比，由於其速度快且相對簡單，它已成為快速原型製作的標準方法。
過去十年，增材製造開始進入到了最終產品的生產階段，這給製造專業人士帶來了新的挑戰。在生產製造中更廣泛地採用增材製造的障礙之一是複雜增材製造部件的質量控制和零件檢驗。
/ 質量控制在製造中的重要性
質量控制對於確保零件和產品符合規格並按預期運行至關重要。這對於保持製造操作的一致性和可重複性也至關重要。
如果沒有可靠的質量控制措施，製造企業將不願意大批量生產增材製造的零件，這可能會危及他們的聲譽。對於航空航天、汽車和醫療等自然適用增材製造的行業尤其如此。這些行業都受到嚴格監管，但也能從高複雜性、多品種、小批量零件的高效生產中獲益最多。
然而，精確的質量控制取決於評估功能、可靠性和安全性等因素的標準化方法。增材製造的這些標準本質上很難建立，因為增材製造技術之間的製造過程差異很大。支撐結構和成型板的去除、熱通量、殘留的粉末或樹脂、後處理和其他因素都給質量控制人員帶來了新的挑戰。
此外，增材製造領域的快速創新使得監管機構和標準組織爭先恐後地掌握新興材料和方法的領先地位。ASTM和ISO合作制定了各種已發布的標準，涵蓋增材製造應用、設計、材料、工藝、術語和測試方法。但在許多情況下，仍然需要恢復到增材製造之前制定的舊標準。
考慮到所有這些，增材製造檢查員只能使用GD&T的輪廓標註來分析複雜的表面，這需要收集高密度的表面測量結果。傳統的檢測工具（接觸式/CMM）使這個過程非常耗時。但隨著3D掃描儀的精度不斷提高，這些測量變得更加方便。
/ 為什麼傳統的質量控制方法對增材製造提出挑戰？
增材製造的檢查標準在較新的應用中建立得較少，而在較舊的應用中則更加充實。
例如，在醫療保健領域，對於為特定患者定製3D列印的部件（例如植入物或假體），檢查方法更加成熟，因為這些是最早的商業增材製造應用之一。具有高度有機解剖區域的零件可以進行3D掃描，並與成型文件進行比較，其中可以應用統計方法與特徵控制相結合。與精密加工相比，人體的公差也相當寬鬆，因此掃描的採用發生得更早。
了解為什麼傳統測量工具難以在增材製造中採用也很重要。這些手動工具（如卡尺和物理量規套件）使用起來非常簡單，並且非常精確，但它們一次只能測量一個幾何特徵（例如尺寸、形狀或角度），並且不會以數字方式捕獲數據。這使得它們使用起來既耗時又費力，而且通常不太適合依賴高效數字工作流程蓬勃發展的增材製造。
另一種常見的檢查和質量保證方法是破壞性測試，其中包括各種疲勞、斷裂和機械測試。破壞性測試昂貴、緩慢且浪費。它也可能無法揭示涉及多個製造步驟的複雜 3D 列印零件失敗的根本原因。
例如，金屬3D列印零件可能涉及列印、熱處理、支撐去除、板去除和精加工。其中任何一項都可以改變零件的形狀和性能。除非您知道問題發生在哪裡，否則當問題是後續步驟造成的時，破壞性機械測試可能會導致您浪費大量時間來嘗試調整列印過程。如有必要，破壞性測試可用於驗證機器/材料組合與測試優惠券，但應避免用於最終使用零件。
/ 為什麼3D掃描對於增材製造有意義?
增材製造的零件通常具有高度的工程複雜性，無論是複雜的晶格、陀螺儀、填充物還是拓撲優化。這就是增材製造的全部目的——創新地利用這些只能通過增材方式生產的非常規形狀和結構。
這正是3D掃描成為3D列印理想質量控制機制的原因，因為它的功能與增材製造零件的性質非常契合。其中一些關鍵應用包括：
- 全形態採集
如果沒有3D掃描，就不可能看到零件或產品的全貌。比較圖 1 中的兩幅圖像，很明顯，1,000個數據點（通過傳統方式仍然需要相對較長的時間來獲取）看起來遠不如具有超過 900 萬個數據點的完整3D掃描清晰。就精確度而言，3D掃描提供的高保真數據採集是無法比擬的。
- 非接觸式捕捉
許多增材製造零件涉及不應觸摸的薄結構或柔軟表面，因為它們可能變形，或者有特定的清潔度要求。在這些情況下，光學3D掃描比其他方法具有另一個優勢。
- 數字保留和歸檔
通過3D掃描進行的全形態採集與增材製造中常見的數字工作流程配合良好。它允許製造企業根據需要保留受檢零件的完整數字副本，即使在運輸和使用之後也是如此。例如，這可以為未來了解零件磨損和疲勞帶來回報。
- 流道設計
例如，通過3D CT掃描捕獲整體形狀，設計人員和工程師可以檢查鑄造模型的噴射應用是否不僅可以成型內部通道和樞軸噴嘴，還可以清理這些通道。在這種情況下，破壞性測試也是一種選擇，但選擇的任何單個橫截面都可能導致誤報或誤報。另一方面，使用CT系統進行3D掃描可以查看零件的所有橫截面。
- 晶格檢查
通過使用3D CT掃描，設計人員可以執行晶格檢查，以確保節點和帶正確放置、晶格位於零件的正確區域以及配合表面針對應用正確交互。
- 成型體積檢查
在許多情況下，測量成型中的任何單個產品可能會給您對該成型期間發生的情況產生不同的印象。通過3D掃描進行成型體積檢查，您可以檢查所有零件，以了解哪些零件的偏差和翹曲風險最高。從此時起，您可以相應地修改零件的成型樣式。3D掃描還可以在後處理過程的每個步驟中存檔您的零件，以跟蹤整個過程中的所有幾何變化。
/ 增材製造的質量控制和檢測解決方案
在增材製造中實施用於質量控制和檢查的3D掃描需要兩個組件：掃描儀和能夠管理數據的軟體應用程式。就光學3D掃描技術而言，主要用於增材製造檢測的兩種類型是雷射線探針和結構光掃描儀。
- 雷射掃描
雷射三角測量通過測量投射到物體表面的雷射束的變形來捕獲物體。一個或多個雷射源將非常小的點投射到表面上，並且一台或多台攝像機記錄這些點的位置。
雷射線點和相機之間的角度是預先確定的，以便計算 3D 三角測量。當雷射線穿過物體表面時，動態計算會在 3D 空間中記錄這些點。這種方法可產生準確、高解析度的掃描，並且當物體反光和/或黑暗且有光澤時最有效。
通常將雷射器安裝在由外部系統（雷射器或光學跟蹤器）跟蹤的移動平台（傳統或可攜式 CMM）上，或者保持雷射器固定並讓零件在傳送帶或轉盤上在其下方移動。
- 結構光掃描
結構光掃描一般使用一台投光器和多個相機。它與雷射三角測量類似，但它測量投影在表面上的條紋圖案或網格的變形。
通常，藍色 LED 或雷射照射 DLP 晶片以產生交替的明暗區域，稱為條紋圖案。當圖案在表面上移動時，相機會收集有關已知圖案變化的數據，並對距離進行三角測量以創建點雲。
考慮到經常使用的機載攝像頭的解析度，結構光可以創建密集的點雲，在銳利的邊緣上具有豐富的細節。
- CT掃描
計算機斷層掃描 (CT) 掃描儀是 3D 掃描的第三種選擇。CT 掃描可生成產品內部細節的完整視圖，並且數據是數字化的，這兩者都對 3D 列印零件有幫助。具體來說，CT掃描可以實現通道設計和晶格檢查，這兩者都需要有關零件內部的數據。從歷史上看，CT 掃描儀一直非常昂貴，儘管某些型號的價格已經下降。
/ 用於增材製造的質量控制和檢測軟體
然而，使用掃描儀收集數據只是第一步。軟體對於以有意義且可靠的方式處理數據至關重要。掃描軟體將點雲疊加到CAD或STL參考數據上，以提取比較點和測量結果。
掃描軟體選項包括：
與傳統CMM軟體相比，掃描原生軟體具有一些重要優勢，因為它專為現代高解析度3D掃描而成型。這些軟體有這些功能：
例如Geomagic Control X是 Oqton 的掃描原生計量軟體。它與任何光學掃描儀或可攜式CMM臂集成，收集和分析非常大的數據集，並自動執行重複和複雜的任務，因此用戶只需很少或沒有培訓即可獲得準確的結果。對於許多增材製造企業來說，它是質量控制和檢測中3D掃描的理想起點。
/ 為高效的增材製造質量控制和檢查做好準備
無論您採取什麼方式，用於質量控制和檢查的3D掃描都是增材製造從原型設計到大規模生產的關鍵一步。通過簡化檢查流程3D掃描可幫助製造企業節省時間、更輕鬆地執行高級分析並更準確地檢測問題。
最重要的是，高保真3D檢測為增材製造企業提供了數據，以建立複雜零件的質量控制標準，並確保這些零件滿足性能和合規性期望，即使是最苛刻和高度監管的行業。