增材制造之六西格瑪質量管理（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計參數(shù)）；2) 原位變量（例如，機器設置、分層成像和熱圖）；和 3) 處理輸出變量（例如，構建后 CT 掃描）�，F(xiàn)代制造業(yè)已經投資于先進的傳感和測量系統(tǒng)，以應對 AM 的高度復雜性，并提高從原材料、制造過程到最終產品的關鍵變量的信息可見性。小批量高混合生產對 AM 質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，預構建材料表征或構建后 CT 掃描）收集數(shù)據(jù)。離線測量允許檢查質量，但在幫助過程中更正或修復的能力方面受到限制，因為缺陷通常已經嵌入到構建中。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 AM 過程的可理解信息，例如，圖像堆棧、3D點云、直方圖、網絡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，以估計和提取有關過程可變性或產品缺陷的顯著特征。

預構建測量和表征
圖8顯示了關于材料、工藝和產品的 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）和粉末微觀結構（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，然后應用粉末表征技術來測量粉末特性。此外，制造商將能夠利用表征結果對供應商提出要求、選擇最佳供應商并改進粉末再利用實踐。

▲圖8. 關于材料、工藝和產品的 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 過程中關鍵變量（即過程輸入、輸出和過程中變量）之間的相互關系，對這些變量之間的因果關系和質量問題建模，并進一步了解它們如何起作用過程可變性和產品缺陷。換句話說，增材制造過程中可能存在多種可變性來源，并可能導致產品和客戶服務的質量問題。“分析”步驟有助于描述和確定質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。

然而，先進的傳感系統(tǒng)從 AM 質量管理的“測量”步驟中帶來越來越復雜的結構數(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構可能會在 AM 構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)，對關鍵過程變量之間的因果關系進行建模，并查明 AM 過程中質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量改進策略。然后可以設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. 薄壁結構的設計參數(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 設計之間構建邊界的幾何偏差。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，實驗結果表明，薄壁零件的構建質量受設計參數(shù)（高度、寬度和高長比）和機器設置（孵化和重涂）的影響方向）。本研究有助于提供一套關于使用 LPBF 機器制造薄壁結構的設計指南，如下所示。

0° 方向使薄壁結構的質量優(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，產生的缺陷較少。構建薄壁結構時應避免 90° 方向，這會導致重涂機運動垂直于薄壁的長邊，從而產生更多缺陷。

薄壁的高度不應超過其寬度的九倍。否則，這種薄壁結構往往會倒塌。本實驗中的 LPBF 機僅限于構建寬度小于 0.15 mm 的薄壁結構。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設計復雜性是否以及如何影響增材制造薄壁結構質量特性的研究問題。為了優(yōu)化增材制造的工程設計，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構的薄壁概括設計指南。

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