Технологии за контрол на качеството в адитивното производство

Начало > Измервателна техника > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 8/2023 > 30.11.2023

  • Дигиталните инструменти могат да улеснят процесите на верификация на допуските чрез сравняване на отклоненията на произведените детайли от съответния CAD проект

  • Независимо от конкретната технология на сканиране, 3D скенерите регистрират координатни точки изключително бързо, без да е необходимо да се докосват до измервания обект

  • През изминалото десетилетие Американското дружество за изпитване и материали (ASTM) и Международната организация по стандартизация (ISO) разработват и публикуват над 20 стандарта за адитивно производство

 

Адитивното производство е революционно в много отношения. Малко са производствените методи, които имат свободата на проектиране и дигиталните работни потоци, които предлага този диапазон от технологии. Благодарение на това могат да се принтират сложни и олекотени детайли с оптимални геометрични характеристики от иновативни материали, които имат по-добри качества от частите, произведени по традиционни методи. От гледна точка на разходната ефективност, редуцирането на загубите в сравнение с технологичните процеси с отнемане на материал може да гарантира на производителите значителни спестявания на суровини, да не говорим и за спестявания на време и труд.

Днес, след многогодишни проучвания, развойна дейност и иновации 3D печатът най-накрая преминава границата между прототипиране и производство. Все още обаче има няколко предизвикателства, които възпрепятстват цялостното внедряване на адитивните технологии в производствения сектор. Най-голямото от тях е липсата на стандартизирани измервания на качеството и качествен контрол, които са от съществено значение за повторяемостта, постоянството, мащабируемостта и цялостната увереност в процеса.

В статията ще разгледаме с какви техники и инструменти разполагат производителите понастоящем, за да гарантират качеството на 3D принтираните детайли и съответствието им с конкретните спецификации.

Традиционни инструменти, адаптирани за адитивно производство
За извършването на инспекции на качеството е наличен широк набор от опции за измерване, от традиционни ръчни инструменти до цифрово индустриално оборудване. Ръчните инструменти, като шублери и комплекти от измервателни уреди, в сравнение с други опции, са достъпни, лесни за употреба и широко приети. Всеки от тези инструменти обаче отговаря за специфична геометрична характеристика (например дължина, диаметър, ъгли). Казано просто, това не са най-универсалните инструменти.

Може би най-значимият им недостатък обаче е фактът, че регистрирането на всички данни за качеството се осъществява на ръка. Вследствие на това метрологичните инспекции могат да се превърнат в трудоемки и неефективни задачи. В контраст с това, две от основните причини, поради които индустрията внедрява адитивното производство, са, от една страна, осигуряването на по-голяма геометрична гъвкавост, и, от друга страна, оптимизиране на работните потоци чрез дигитализация.

 

Координатни измервателни машини

Необходимостта от постигане на по-високи стандарти води индустрията до внедряване на координатни измервателни машини. Тези машини могат да генерират облаци от дигитални точки чрез изключително прецизните си контактни сонди с точни измервания на много сложни геометрии, например на профили на обтичани тела. В допълнение, това позволява директно взаимодействие в рамката на CAD среди, което отваря нови възможности за анализ на данни.

Дигиталните инструменти могат да улеснят процесите на верификация на допуските чрез сравняване на отклоненията на произведените детайли от съответния CAD проект. Междувременно, всички данни от инспекцията могат непосредствено да бъдат съхранени и обработени от централизирана система. Координатните измервателни машини обаче също имат ограничения. В сравнение с други методи, циклите на инспекция са по-продължителни, машините не са преносими и, тъй като измерването при тях е въз основа на контакт, силно влияние оказват закрепващите технологии. Това дава възможност да се оценят 3D скенерите като ценна алтернатива на координатните измервателни машини, защото при тях измерването се извършва на оптичен принцип.

 

Оптични 3D скенери

Независимо от конкретната технология на сканиране, 3D скенерите регистрират координатни точки изключително бързо, без дори да е необходимо да се докосват до измервания обект. Прилагането на оптичните принципи носи големи предимства за сканирането, но парадоксално и големи недостатъци в някои случаи. Ограниченията са свързани предимно със смущения от външни светлинни източници, а отражателните, прозрачните и тъмните матирани повърхности могат да нарушат качеството на събиране на данни.

Като цяло, като се има предвид скоростта, с която производителите на скенери работят по разрешаването на тези проблеми, оптичните 3D скенери несъмнено имат обещаващо бъдеще в индустрията.

3D принтирането е също идеалната технология за добавяне на необикновени дизайни на вътрешната структура. Нито една от разгледаните досега техники обаче не може да се справи с инспекцията на тези вътрешни повърхности. Това ни води до компютърната томография, може би най-всеобхватният инструмент за контрол на качеството, предлаган на пазара.

 

Компютърна томография

Освен в медицината, тези скенери са търсено решение от отговарящите за инспекцията в производствени среди със строги изисквания за качество. Това се дължи на факта, че компютърната томография може да генерира цялостни изгледи на вътрешни детайли бързо и с невероятна точност. Освен това, данните могат да бъдат експортирани под формата на 3D карти на плътността, предоставящи изчерпателна информация за качеството на продукта. Има и още – компютърната томография преминава отвъд метрологията и е идеална за инспектиране на дефекти, като пукнатини, разслоявания, кухини, замърсявания и порьозни участъци, без дори да е необходим контакт с детайла.

Компютърно томографските скенери имат много по-широки възможности от други безразрушителни тестове на качеството, например изпитване с пенетрант, вихрови токове, магнитни частици и ултразвук. Те обаче може да са прекалено скъпи за повечето приложения, а и съществуват рискове, свързани с рентгеновите лъчи. Поради трудностите с разполагането на оборудването на производствената площадка, някои компании предлагат инспекция с компютърна томография като услуга.

 

Инспекция в реално време

Предвид че процесите на адитивно производство трябва да се проучат още, за да се разработят стандарти и да се внедри технологията в серийното производство, очевидно има нужда от ускоряване на събирането на данни. Всички разгледани досега практики биха изисквали трудоемки инспекции, отделени от производствения процес. Отчитайки напредъка в областта на сензорите, автоматизацията със затворен контур, изкуствения интелект, машинното самообучение и облачните изчисления, не е изненадващо, че водещите иноватори в адитивното производство вече внедряват тези технологии в процеси по инспекция в реално време, тоест скенерите и технологиите за инспекция са интегрирани в 3D принтера.

Сензорите събират данни при формирането на всеки един слой, след което изкуственият интелект може да вземе цялата тази информация в реално време, за да направи сравнения, анализ, да прекрати процеси при засичане на грешки и най-вече да оптимизира параметрите на печат въз основа на исторически данни.

 

Защо установяването на стандарти е толкова трудно

Макар че съществуват някои стандарти за качество за адитивното производство, индустрията не е генерирала достатъчно документация, за да се верифицират процесите с пълна увереност в тяхната разходна ефективност и производителност. Сектори, като авиокосмическия, отбранителния, автомобилостроенето и производството на медицинска техника, могат да се възползват в максимална степен от гъвкавостта, която само адитивните технологии могат да предложат. Именно тези индустрии обаче се характеризират с най-стриктните изисквания по отношение на качеството и допуските.

Адитивното производство е ново средство за масово производство на детайли за крайна употреба. На ниво предприятие мениджърите се нуждаят от прогнозни данни, за да вземат информирани решения по отношение на ресурси, графици и логистика. В повечето случаи тези данни все още ги няма.
С преминаването на адитивните технологии в производството изискванията за съответствие стават по-строги и разходите за качествен контрол неизбежно ще нараснат. Въпреки че днес са налични множество опции за редуциране на разходите и пестене на време, като технологии за автоматизация и услуги, предоставяни от трети страни, липсата на индустриални стандарти и увереност може да донесе на производителите по-високи рискове, разходи и липса на повторяемост.

 

Защо не са приложими съществуващите стандарти за качество

Защо съществуващите критерии за качество за други установени процеси, например леенето под налягане, не са достатъчни за одобрението на адитивно произведените детайли? Казано просто, всяка технология е различна. Адитивното производство е група от множество различни технологии, както е например при екструзията и фотополимеризацията. Не могат да бъдат дефинирани стандарти за качество без да се специфицира за какво.

Друг проблем са уникалните материали, използвани за адитивно производство. Как да се подготвят суровинните материали, за да се гарантира надеждно производство? Цената на материалите представлява висок разход, особено когато става дума за материали с високи експлоатационни параметри като титан например. Снабдителите на материали трябва да доставят своите продукти с възможно най-високата степен на прогнозируемост по отношение на свойствата им и манипулирането с тях.

А каква е настоящата ситуация със стандартизацията в областта? През изминалото десетилетие и Американското дружество за изпитване и материали (ASTM), и Международната организация по стандартизация (ISO) разработват стандарти за адитивно производство в сътрудничество чрез съответните си комитети – ISO/TC261 и ASTM/F42, в които участват експерти от близо 30 държави. Те са публикували над 20 стандарта с обхват от методи за охарактеризиране на метални прахове до квалификациите, необходими на операторите на 3D принтери за метал, като още много стандарти са в процес на разработка. Поради напредъка в мултидисциплинарните технологии и растящото търсене на ползите от адитивното производство, генерирането на достатъчно познания за стандартизация и изграждане на пълно доверие в тази група технологии от страна на индустрията може да се реализира по-скоро от очакваното.


Вижте още от Измервателна техника


Ключови думи: адитивно производство, 3D печат, 3D принтиране, 3D скенери, координатни измервателни машини, компютърна томография



Редактор на статията:

ДИЛЯНА ЙОРДАНОВА

ДИЛЯНА ЙОРДАНОВА

Отговорен редактор

• Завършва специалност "Инженерна екология" в Химикотехнологичен и металургичен университет;


• Заема длъжността "Отговорен редактор" в издателство TLL Media от 2020 г.;

• Разполага с над 10 години опит в създаването на съдържание и писането на научни статии.

Контакт в LinkedIn


Top