仅仅是金属3D打印过程中就有50多个变量相互发生作用，而这些剪不断理还乱的大数据，为3D打印带来困惑的同时也带来了机遇。利用加工中的过程数据通过算法获取对加工的洞察与控制，推动增材制造的全球大规模采用，推动制造业进入第四次工业革命。

数据、算法的结合

想象一下，如果可以缩短航空航天和先进制造等行业中复杂零件的生产周期，可以将CAD文件从中心办公室发送到全球任何地方的远程生产设施，而不必集中生产这些零件，再通过复杂的物流网络运送到世界各处。这其中，可以通过过程质量保证来“现场”监控生产质量，然后通过自动化软件以及后处理程序来增强整个系统的鲁棒性。

这种快速生产的未来主义图景会从根本上改变整个行业，根据3D科学谷的市场判断，曾经耗时数月的复杂零件的制造，质量保证和后处理方法可以缩短为几天。

 第四次工业革命和创新，将超出了想象

拿Sigma Labs的IPQA系统举例，这种过程控制系统可以开放具有无限设计参数的行业，以实现全球协作。根据3D科学谷的市场观察，目前，Sigma Labs在推进技术和质量方面取得了迅速的进步，这将使之成为可能。

Sigma Labs的IPQA系统代表一项新的创新技术，用于监控金属增材制造过程（金属3D打印）。之所以需要这样做，是因为如果没有确保质量的保障措施，新兴的金属增材制造（AM）行业根本无法被接受为值得信赖的技术。

IPAQ过程© Sigma Labs

不过IPQA实现的难度相当高，Sigma Labs的IPQA面临的一个挑战是，需要以200 kHz的频率进行采样，专门查看高温或相对温度，以了解熔池中发生的情况。根据3D科学谷的了解，幸运的是，Sigma Labs能够克服这一200kHz采样难题，不仅如此，目前Sigma Labs能够推进和开放其他架构，其他机器种类，否则，如果没有大量的数据，Sigma Labs的算法无法实现可靠的预测与控制。

 质量

质量问题是尚未大规模采用金属增材制造工艺的另一个原因，当前的质量控制包括破坏性测试和CT扫描。两种技术都非常耗时且成本高昂，并且无法提供进行过程中监视或进行过程中修复的途径。

更重要的是，当前的质量管理规范是在零件制造完成之后进行的，这增加了很多额外的步骤，成本和时间。而 IPQA允许零件在构建过程中进行调整和修正，使得质量检测与控制同步实现。

根据3D科学谷的深入了解，在金属3D打印-增材制造过程中，可以将热数据反馈到仿真模型中，以告知如何制造更好的零件。这也将减少零件库存，以往备件必须按库存存放在仓库中，这会带来巨大的拥有成本。而如果对3D打印这种新工艺的质量控制有足够的信任，则可以按需3D打印这些零件并使用原位过程监控技术进行制造。

这些监视和QA控制技术的前景正催生出许多创新的解决方案。一种这样的解决方案是Polaris Motion的Polaris UniverseOne™同步数据采集系统，它是Sigma Labs IPQA解决方案的组成部分。

根据3D科学谷的了解，Polaris UniverseOne™的信号质量很重要。如果没有良好的信噪比，过程控制技术将无法正常工作。Polaris Motion是Sigma Labs数据采集方面的合作伙伴。通过合作以实现优势结合，就过程中质量控制技术而言，这是非常令人激动的，因为这种组合技术打破了增材制造工艺的发展限制。

在加工中的质量管理方面，通过Sigma Labs的PrintRite3D ® INSPECT ™软件，基于大量的生产大数据所形成的加工参数与产品性能之间的相关性，获取符合生产要求的零件所对应的加工参数作为“基准数据”。除非与零件的机械和冶金特性数据具有相关性，否则该加工参数的值几乎没有任何意义。这意味着首先必须产生大量的测试样本来生成这个属性数据，并将属性数据关联到加工参数的“电子签名数据”。从而在新的加工过程中将每一层的“电子签名数据”与“基准数据”相对比。

未来即将到来，这其中需要多种因素的结合。如果没有良好的数据，多么优秀的算法、技术和流程将毫无意义。

 仿真，AI，更强有力的全方位的推进

当然仅仅通过Sigma Labs实现过程中监测与控制是不够的，3D科学谷看到国际上尤其是仿真软件正在为过程前的建模优化与加工参数设置而发力。通过仿真对材料属性在增材制造过程中发挥的作用，减少昂贵材料的浪费，以及避免试验不通过的材料情况发生，在这方面，仿真软件的设计也是个大数据的活。仿真软件需要与机器制造商合作，以获得设备的物理参数权利；需要与材料供应商合作，以保证材料科学指标是正确的；需要与测试专家合作，以确保正在测试的零件是正确的；需要和与用户合作，以确保得到更多的预测结果与实际效果之间匹配的权利。根据所有的材料、设备和产品的关键信息，预测如何改变材料，机器和建模。这些数据的获得与反馈将形成一套对增材制造的闭环控制体系，而无疑大数据在其中发挥了重要的作用。

在这方面，增材制造仿真的专业公司3DSIM（被ANSYS收购）已经与Sigma Labs合作开发了一个名为FLEX™软件，该软件模拟热传感器对金属增材制造工艺的响应，提前避免可能发生的错误。通过仿真可以调整工艺参数，以及更换新的粉末，通过软件确定扫描策略以及选择粉末。模拟软件将预测这些改变对零件性能的影响。

根据3D科学谷的市场观察，除了Sigma Labs的过程控制以及仿真解决方案，来自德国亚琛的科学家们正在研究监视金属3D打印的新方法，以提高过程的鲁棒性。在构建平台中使用结构传感器时，将来会检测到关键错误，例如支撑结构撕裂的时间。此外，通过超声波传感器可以用于分析空气传播中的声音，以确定组件的质量。基于激光的超声测量的研究将在未来走得更远：脉冲激光将在部件中感应出结构传播的噪声，然后由激光测振仪检测到。这使得在构建过程中发现微小的毛孔，以便能够立即进行干预。而原位测量过程可以通过另一个曝光顺序对问题区域进行返工。

在这方面，Fraunhofer-弗劳恩霍夫的futureAM下一代增材制造项目包含了更多“柔性”的增材制造技术，例如在线过程控制技术的开发，工艺稳健性的开发，以及基于数字孪生的网络化流程链的开发等。根据弗劳恩霍夫激光技术研究所Fraunhofer ILT，增材制造现在处于工业实施的门槛上，而从FutureAM项目中共同获得的专业知识现在将转移到工业应用中。

Fraunhofer-弗劳恩霍夫的futureAM下一代增材制造项目开发的虚拟实验室以封闭且数字化的方式绘制所涉及参与方的能力。每个实体（机器或产品）都被描述并分配了一个“数字孪生”，这是网络物理机器或更大的网络物理系统的虚拟部分。基于这些数字孪生，可以通过建模和仿真来优化实际系统。这将增强例如错误诊断、预测分析、产品和过程优化以实现长期质量保证。

其中，Fraunhofer IWS的专家通过“人工智能”（AI）和“机器学习”的先进方法来提升对加工过程的理解，由Fraunhofer IWS图像处理和数据管理工作组进行研究。通过人工智能，可以找到这些数据泛洪中的隐藏联系。

将来，该系统还将提供用于计划新产品的数据，这将大大减少认证时间。它将能够越来越多地自动将产品分配给机器，在生产过程中适应相关的工艺参数，并自动考虑产品目标（例如质量）和生产目标（例如交货时间）。

由此出发，人类的角色将发生变化-从今天的中央计划转向决策和监控。虚拟实验室中的自治系统将使用适当的评估和监视工具来支持现场人员。因此，“虚拟实验室”提供了完整的数字透明度。

而这一切，都在推动增材制造的全球大规模采用！

l 文章来源：3D科学谷市场研究团队

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增材制造仿真的专业公司3DSIM已经与Sigma Labs合作开发了一个名为FLEX™软件，该软件模拟热传感器对金属增材制造工艺的响应，提前避免可能发生的错误，FLEX™全部商业版本计划于2018年初发布。

FLEX™是增材制造数字线程中的关键部分，FLEX™用户可以运行一个模拟软件，预测他们3D打印设备中的高速非接触式高温计将“看到”什么，就像二维打印文字处理软件的“打印预览”功能一样。

3D科学谷认为仿真软件3DSIM的软件设计基础是通过对超过1000种不同的材料组合性能特点的了解，了解材料的组合对零件哪些方面有较大的影响，从而得到一些有趣的结果，来帮助确定材料特性和熔池宽度以及深度之间的关系，通过精确地模拟熔池宽度和深度，可以直接预测零件的表面粗糙度、精度和孔隙率。

一旦零件的几何形状被建模，仿真软件可以用来预测有代表性的激光扫描路径。模拟得到激光及其与材料的相互作用模型。该模型提供了材料在激光作用下从粉末变成液态再到凝固的科学描绘，模型模拟了粉末在粉末床上被加热、能量的爆破、熔化和快速冷却凝固过程，每一层的构建由此类推。

一旦建立层的扫描策略，模拟仿真可以提供该层准确的温度历史，这种历史可以用来预测材料的晶体结构、孔隙度、变形和残余应力。仿真数据基于设备和材料的物理因素，包括粉末材料的堆积密度，激光能量吸收特性和热传导率。

通过仿真可以调整工艺参数，以及更换新的粉末，通过软件确定扫描策略以及选择粉末。模拟软件将预测这些改变对零件性能的影响。

而Sigma Labs的核心实力在于感应器硬件与数据和软件的融合。

硬件方面，Sigma Labs传感技术－Sensorpak，是一个由声、光、热传感器、收集过程数据的全套系统。传感器记录的数据将建立过程文件，其中西格玛实验室工程师通过在洛斯阿拉莫斯国家实验室多年来在冶金和焊接的研究经验，能够从大数据中提取关键的质量记录，并通过结果特征还原关键过程的物理特征。

由于硬件记录和积累了大量的数据，从而Sigma Labs由过程测量发展到过程控制，工艺参数存储会作为微观层面的设置跟结果做匹配。从工艺参数创建与质量的相关性。如果预定的规则都不符合，打印过程中断和信号激活的过程中，参数检测以及纠正执行偏差。在这种方式下，就需要防止出现有缺陷的熔池。这种过程控制被称为过程质量保证，是西格玛实验室独特的（iPQA™）技术。此外，过程质量度量（iPQM™）包括质量保证，这样可以提高生产效率，并实现制造业务精益战略。

于是，Sigma Labs顺势将其软件商业化。Sigma Labs在2015年推出Sigma Labs用于粉末床金属打印过程控制软件DEFORM™。DEFORM™是一个独特的工具，与其INSPECT™ 形成完整的过程控制补充。其专有的、在线算法可以生成每一层建设过程中的几何特性数据。Sigma Labs的技术提供实时、逐层分析，以确保符合生产规格的要求。

软件的工作原理与3D打印机工作的步骤吻合。拿Sigma Labs的质量控制过程来说，在构建过程中，产品按照垂直方向从底部到顶部被打印出来（Z方向）。每完成一个打印过程，Sigma Labs的PrintRite3D® CONTOUR™系统都会拍照。当整个产品被打印完成时，该系统将拍摄与建模过程对应的每一层的数字图像。通过系统记录的每一层的图片，计算机将图片与设计模型的切片相对比。

当然，由于硬件可以达到非常细腻的观测记录水平，从而使得软件功能更加强大，Sigma Labs的PrintRite3D ® INSPECT™软件利用高温计和光电二极管检测熔池温度，记录了其中三个过程变量：1）金属粉末融化时温度的“增加率”；2）熔池停留在最高温度多“长”时间；3）熔池冷却的“速率”。通过捕获这三个变量，该系统产生熔池的“电子签名数据”，从而在每一层的X,Y,Z三维方向上记录了零件的微观结构。

在加工中的质量管理方面，通过PrintRite3D ® INSPECT ™软件，基于大量的生产大数据所形成的加工参数与产品性能之间的相关性，获取符合生产要求的零件所对应的加工参数作为“基准数据”。除非与零件的机械和冶金特性数据具有相关性，否则该加工参数的值几乎没有任何意义。这意味着首先必须产生大量的测试样本来生成这个属性数据，并将属性数据关联到加工参数的“电子签名数据”。从而在新的加工过程中将每一层的“电子签名数据”与“基准数据”相对比。

可以说3DSIM和Sigma Labs的共同点都在于针对增材制造，都具备大数据的分析处理能力，而3DSIM专注于仿真，Sigma Labs则在硬件方面实力突出，所以二者的合作将进一步打通通过仿真软件对实时加工状况的预测和理解，让熔池中粉末将要发生的行为变得更加未仆先知。

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当增材制造技术更接近于生产应用，制造商必须验证所生产的零件的几何形状、冶金和机械性能满足设计工程师的要求。在大多数工业市场，都是在零件生产完成后通过坐标测量机（三坐标测量机）来检查机械特征，以及通过X射线来检查内部缺陷，CT扫描来寻找深层次的缺陷。然而，所有这些技术都会有人为错误参与进来。一个人可能没有正确地读三坐标测量机的结果，X射线可能只能捕捉到靠近表面的孔隙和裂缝缺陷，CT扫描技术还并没有被广泛使用，对扫描结果的解释需要进行大量的培训，以确保正确的解读结果。

这就是为什么开发符合增材制造设计意图的客观证据－Objective Evidence of Compliance to Design Intent”是很重要的。在加工过程中通过传感监测建立参数和零件的几何形状数据记录是必要的。霍尼韦尔正与西格玛实验室合作，研发出两套独立的过程中质量控制体系。之前3D科学谷之前与谷粉们分享了霍尼韦尔的做法之一PrintRite3D® CONTOUR™软件。

图片：使用PrintRite3D® CONTOUR™软件将加工中的每一层与CAD建模切片的每一层对比。

本期，霍尼韦尔航空航天工程研究专家Donald Godfrey为3D科学谷的谷粉们详细解释另外一种过程质量控制方法PrintRite3D ® INSPECT ™软件的原理和过程。

该软件是DARPA资助的项目结果，霍尼韦尔是这个项目的领导者，西格玛实验室是这个项目的合作方。这个系统利用高温计和光电二极管检测熔池温度，记录了其中三个过程变量：1）金属粉末融化时温度的“增加率”；2）熔池停留在最高温度多“长”时间；3）熔池冷却的“速率”。通过捕获这三个变量，该系统产生熔池的“电子签名数据”，从而在每一层的X,Y,Z三维方向上记录了零件的微观结构。

PrintRite3D ® INSPECT ™软件的原理是基于大量的生产大数据所形成的加工参数与产品性能之间的相关性，获取符合生产要求的零件所对应的加工参数作为“基准数据”。除非与零件的机械和冶金特性数据具有相关性，否则该加工参数的值几乎没有任何意义。这意味着首先必须产生大量的测试样本来生成这个属性数据，并将属性数据关联到加工参数的“电子签名数据”。从而在新的加工过程中将每一层的“电子签名数据”与“基准数据”相对比。

图片：霍尼韦尔的3D打印机内置的高温计。

3D科学谷REVIEW

3D Science Valley REVIEW

符合增材制造设计意图的客观证据－Objective Evidence of Compliance to Design Intent”的两种过程质量控制途径PrintRite3D® CONTOUR™软件与PrintRite3D ® INSPECT ™，提供了匹配数据正确的逻辑，以及收集和整理数据正确的方法，这将进一步帮助霍尼韦尔保持其作为全球技术领导者。

在过程质量控制中挑战的是正确的收集数据的技术和分析能力。相关分析与回归分析都是研究变量相互关系的分析方法，而相关性分析是指对两个或多个具备相关性的变量元素进行分析，从而衡量两个变量因素的相关密切程度。相关性的元素之间需要存在一定的联系或者概率才可以进行相关性分析。相关分析是回归分析的基础，而回归分析则是认识变量之间相关程度的具体形式。PrintRite3D ® INSPECT ™将超出变量回归范围的加工定义为可疑的(Suspect),而在回归范围内的定义为可接收的(Accept)。为研究粉末床增材制造技术在制造过程中的质量控制和追溯提供了科学的方法。

图片：PrintRite3D ® INSPECT ™回归分析

这就是为什么开发符合增材制造设计意图的客观证据－Objective Evidence of Compliance to Design Intent”是很重要的。于是在加工过程中通过传感监测建立参数和零件的几何形状数据记录是必要的。霍尼韦尔正与西格玛实验室合作，研发出两套独立的过程中质量控制体系，下面介绍了这项技术是如何被开发和如何工作。

图片来源：霍尼韦尔

本期，霍尼韦尔航空航天工程研究专家Donald Godfrey为我们详细解释打印数据匹配的原理和过程。

霍尼韦尔与西格玛实验室合作，开发符合增材制造设计意图的客观证据－Objective Evidence of Compliance to Design Intent”。

增材制造的原理是，构建软件将零件模型切成上千层。每一层（切片）与3D打印过程具有相关性，最终层层打印成为一个零件。

举例来说我们将打印一个立方体，这个立方体被分为3000个相等的切片（在垂直方向上），每一片都是相同的厚度。要打印立方体的时候，3D打印机将其生成3000个打印过程，就这样产品按照垂直方向从底部到顶部被打印出来（Z方向）。每完成一个打印过程，Sigma Labs的PrintRite3D^® CONTOUR ^TM系统都会拍照。当整个立方体被打印完成时，该系统将拍摄3000个数字图像。

通过系统记录的每一层的图片，计算机将图片与设计模型的切片相对比。比如说，如果该系统记录的数字图像为第1870片，则计算机将与设计模型的第1870片相对比。

数据匹配

图片来源：霍尼韦尔

上面显示了霍尼韦尔发动机安装紧固件加工过程的数字图像的多片拍摄。计算机将这些图像与设计模型的切片进行比较，提供了符合增材制造设计意图的客观证据－Objective Evidence of Compliance to Design Intent”。如果计算机识别的是该片刚刚打印出的图像与设计切片有差异，则该层是缺陷发生可疑层。如果与几何切片的差异是显著的，那么就可以通过程序指令让打印机停止。如果与模型切片的几何差异不显著，3D打印机可以继续工作，但向操作者发送一个可疑信息警告消息，这样在打印完成后的质量检测过程中作为考察对象。

这种类型的质量系统的优点是，减少对后续质量检测的依赖，包括X射线，CT扫描或三坐标测量。而且通过大量的数据匹配积累过程带来经验值的提升，在加工过程中避免产品缺陷的发生，这比加工完成后发现产品质量缺陷却无能为力要节约得多。

图片：四个霍尼韦尔发动机的安装紧固件和零件切片的数字指纹

3D科学谷REVIEW

符合增材制造设计意图的客观证据－Objective Evidence of Compliance to Design Intent”带来正确的数据收集与匹配技术。该系统将进一步帮助霍尼韦尔保持其作为全球技术领导者。

Sigma Labs将模型切片作为微观层面的设置跟结果做匹配。从模型切片创建与质量的相关性。这种前瞻性的过程控制被称为过程质量保证，是西格玛实验室独特的（iPQA™）技术。这样可以提高生产效率，并实现制造业务精益战略。

在这方面的研究和应用。3D科学谷后续将继续为您揭示符合增材制造设计意图的客观证据－Objective Evidence of Compliance to Design Intent”的另外一种方法。敬请关注。

图片来源：3dprint.com

PrintRite3D® DEFORM™软件发布: 2015年9月30日，Sigma Labs(西格玛实验室)在SANTA FE, N.M.（圣菲，美国新墨西哥州）正式宣布其PrintRite3D®软件家族的用于粉末床金属打印过程控制软件DEFORM™正式发布，此前一直通过与霍尼韦尔的合作在进行不断的测试。自2015年5月到现在该软件将正式拥有第一家客户－霍尼韦尔，将安装在霍尼韦尔位于Phoenix（凤凰城）的增材制造中心。

背景: Sigma Labs一直希望通过从金属性能的变化角度来标准化金属3D打印的质量控制，最终受益的不只是小企业，更是整个3D打印行业。金属3D打印在逐层铺粉的过程中由于在熔融过程中有超过50种不同的因素在发挥着作用，像材料尺寸和形状误差、熔融层中的空隙、最终部件的高残余应力，以及对材料性能——包括硬度和强度等各种变量相互关系的研究不足导致了3D打印工艺难以量化控制，这极大的制约了金属3D打印技术的应用范围。

Sigma Labs利用其统计学分析能力计算对熔融过程发生影响的各种变量的相关性，在质量控制上不断地做出有突破性质的研究，并把研究成果转化为过程控制工艺软件产品。

技术亮点及意义: Sigma Labs认为DEFORM™软件的发布将与其INSPECT™ 形成完整的过程控制补充，为全球3D打印行业提供强有力的质量保证，虽然DEFORM™经历了一再的测试，其周期超过了预期，但这一切的谨慎和努力都是值得的。其发布意味着刷新金属3D打印质量控制的历史。DEFORM™是一个独特的工具，其专有的、在线算法可以生成每一层建设过程中的几何特性数据。Sigma Labs的技术提供实时、逐层分析，以确保符合生产规格的要求。