增材制造之六西格瑪質(zhì)量管理（一）

來源：江蘇激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：質(zhì)量是部署新流程、產(chǎn)品或服務(wù)的關(guān)鍵決定因素，并影響新興制造技術(shù)的采用。增材制造 (AM) 作為制造工藝的出現(xiàn)有可能徹底改變從生產(chǎn)到供應(yīng)鏈的一系列企業(yè)相關(guān)功能。AM 提供的前所未有的設(shè)計(jì)靈活性和擴(kuò)展功能，加上大大縮短的交貨時(shí)間，可能為大規(guī)模定制鋪平道路。然而，增材制造的廣泛應(yīng)用目前受到工藝可重復(fù)性和質(zhì)量管理方面的技術(shù)挑戰(zhàn)的阻礙。

增材制造 (AM)，也稱為3D打印，是通過材料的層層堆積來制造產(chǎn)品的過程的統(tǒng)稱。商業(yè)增材制造系統(tǒng)的出現(xiàn)使得可以直接從計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) (CAD) 模型中以最少的干預(yù)步驟制造具有復(fù)雜幾何形狀的零件。直到最近，增材制造零件主要僅限于原型演示者角色；AM零件的可行性現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到可以用于生產(chǎn)和最終組裝的程度。與傳統(tǒng)的減材（機(jī)械加工）和成型（鑄造、焊接和成型）制造工藝相比，增材制造具有顯著優(yōu)勢(shì)，例如消除專門的工具成本、減少材料浪費(fèi)和生命周期成本，從而能夠創(chuàng)建復(fù)雜和自由形狀的幾何形狀 ，并為各種工業(yè)應(yīng)用擴(kuò)展產(chǎn)品功能。

粉末床融合 (PBF) 工藝通常用于粉末材料床產(chǎn)品的AM。PBF印刷技術(shù)的例子包括使用不同類型能源的直接金屬激光燒結(jié) (direct metal laser sintering, DMLS) 、電子束熔化 (electron beam melting, EBM)、選擇性熱燒結(jié) (selective heat sintering, SHS)、選擇性激光熔化 (selective laser melting, SLM) 和選擇性激光燒結(jié) (selective laser sintering, SLS)。它們使用不同類型的能量源(例如激光、電子束或熱)將粉末熔化或燒結(jié)在一起以制造固體3D部件。請(qǐng)注意，LPBF 利用激光源以逐層方式燒結(jié)金屬粉末以創(chuàng)建最終結(jié)構(gòu)。除了 PBF增材制造工藝外，還有多種其他AM工藝，例如材料噴射、粘合劑噴射、材料擠出、定向能量沉積 (directed energy deposition, DED)、片材層壓和還原聚合。材料的選擇范圍從金屬、復(fù)合材料、聚合物、生物材料到陶瓷。

但是，質(zhì)量管理方面的技術(shù)挑戰(zhàn)阻礙了AM技術(shù)在行業(yè)中的廣泛采用。例如，增材制造的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能受復(fù)雜、難以建模的工藝現(xiàn)象（例如熱效應(yīng)和殘余應(yīng)力）的影響。反過來，這些復(fù)雜的過程相互作用會(huì)導(dǎo)致隱藏的內(nèi)部缺陷，從而降低零件的質(zhì)量。因此，增材制造零件的廢品率很高，尤其是在考慮獨(dú)一無二的生產(chǎn)時(shí)。在實(shí)際案例研究中，在同一臺(tái)商用 AM 機(jī)器中使用同一 CAD 模型同時(shí)構(gòu)建的零件可能會(huì)產(chǎn)生不同的質(zhì)量結(jié)果，這種情況并不少見。如圖1所示，在同一臺(tái)商用 AM 機(jī)器上使用相同的 CAD 模型同時(shí)構(gòu)建了七個(gè)零件，其中只有兩個(gè)零件沒有缺陷。AM 構(gòu)建的高拒絕率和相關(guān)成本顯著阻礙了 AM 功能的更廣泛利用，超出了當(dāng)前的快速原型制作現(xiàn)狀。

▲圖1. 在內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校的案例研究中，七個(gè)不銹鋼部件建立在商業(yè) AM 系統(tǒng)上。這些零件僅在方向上有所不同，所有其他工藝條件都相同。

Six Sigma (6S) 是傳統(tǒng)制造業(yè)（例如半導(dǎo)體和汽車行業(yè)）廣泛使用的實(shí)踐，用于質(zhì)量規(guī)劃、質(zhì)量保證 (QA)、質(zhì)量控制 (QC) 和持續(xù)改進(jìn)，廣泛使用數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)、 和優(yōu)化。如圖2所示，6S 需要數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的定義、測(cè)量、分析、改進(jìn)和控制 (DMAIC) 方法。

• 定義：根據(jù)客戶要求概述質(zhì)量挑戰(zhàn)。
• 測(cè)量：從制造系統(tǒng)收集有關(guān)關(guān)鍵過程變量的數(shù)據(jù)。
• 分析：提取與缺陷原因相關(guān)的有用信息。
• 改進(jìn)：設(shè)計(jì)解決方案和方法以改進(jìn)制造系統(tǒng)。
• 控制：當(dāng)制造系統(tǒng)失控時(shí)，制定過程管理計(jì)劃和最佳控制政策。
  

6S技術(shù)的目標(biāo)是識(shí)別和消除缺陷的根本原因，并進(jìn)一步提高最終產(chǎn)品的質(zhì)量。6S的成功可以從摩托羅拉對(duì)其理念的應(yīng)用中看出。1978年，公司凈收入23億元。到1988年，凈收入增至83億元；這大約增加了 260%。同樣，通用電氣通過自己的 6S 計(jì)劃取得了巨大成功，每年節(jié)省了 40 億美元。名單上還有其他著名的例子，包括豐田、福特、寶麗來、通用汽車等等。

AM從地面建造物體的能力激發(fā)了想象力，讓人們?cè)谠O(shè)計(jì)過程中設(shè)想出更廣泛的可能性。盡管如此，增材制造面臨著廣泛的質(zhì)量挑戰(zhàn)，阻礙了增材制造在行業(yè)中的廣泛采用。迫切需要以小批量和高混合的方式生產(chǎn)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，再加上增材制造技術(shù)的快速進(jìn)步，對(duì)增材制造質(zhì)量管理的當(dāng)前范式提出了重大挑戰(zhàn)。由于正在為材料和工藝鑒定和零件認(rèn)證制定此類新標(biāo)準(zhǔn)，因此正在進(jìn)行無數(shù)實(shí)驗(yàn)和建模/仿真研究，以深入了解AM工藝的復(fù)雜物理為過程控制開發(fā)了新的原位傳感能力和過程監(jiān)控策略，并且正在努力捕獲、存儲(chǔ)、管理和保證譜系數(shù)據(jù)用于 AM 零件的 QA/QC。盡管取得了這些進(jìn)步，但在許多金屬 AM 工藝 （例如，激光 PBF (LPBF) 和 DED）中看到的可重復(fù)性和可靠性問題不幸地加劇了這些挑戰(zhàn)，尤其是在嘗試為關(guān)鍵應(yīng)用和高度監(jiān)管的行業(yè)（例如、航空航天和醫(yī)療）。

▲圖2. 大規(guī)模制造中的大批量低混合生產(chǎn)方案

質(zhì)量改進(jìn)包括一系列管理、操作和工程活動(dòng)，以減少過程中的可變性。特別地，統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)方法被用來通過研究在不可控因素的不確定性下可控設(shè)置的效果來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健過程，也稱為“穩(wěn)健參數(shù)設(shè)計(jì)”。因此，6S計(jì)劃應(yīng)運(yùn)而生，以滿足汽車和半導(dǎo)體行業(yè)大規(guī)模制造的需求，并在上個(gè)世紀(jì)取得了巨大成功。如圖3所示，6S 計(jì)劃利用 DMAIC 方法將過程可變性降低到極不可能出現(xiàn)故障和缺陷的水平。如果 3σ 限值與產(chǎn)品規(guī)格限值重疊，則部件落在 μ±3σ 限值之外的概率為 0.27%，這意味著百萬分之二的缺陷部件數(shù) (PPM) 約為 2700。對(duì)于 μ±6σ 限值，概率將為 0.0000002%，這意味著 PPM 為 0.002（即極不可能）。在 6S 場(chǎng)景中，如果一個(gè)成品有 100 個(gè)組件，并且每個(gè)組件都必須是無缺陷的才能使產(chǎn)品無缺陷，那么產(chǎn)品無缺陷的概率為 (0.999999998)1oo≈1.0 。

▲圖3. 正常曲線下的面積和產(chǎn)生缺陷的比例

未完待續(xù)！

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ali1224 發(fā)表于 2021-6-28 08:40
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