共聚焦白光幹涉儀 用於表征增材製造中的工藝誘導形狀和表麵紋理變化

在過去十年中，增材製造因其相對於(yu) 傳(chuan) 統減材和等材方法的優(you) 點而被工業(ye) 界采用。對於(yu) 創造複雜幾何形狀來說，增材製造所提供的可能性使用傳(chuan) 統製造方法是無法實現的。然而，其存在一些缺點，如缺乏標準化、難以控製生產(chan) 出樣品的尺寸和表麵性質以及在大多數情況下需要後續處理步驟等。在本研究中，我們(men) 希望通過測量形狀和表麵紋理，來測量單個(ge) 參數在製造部件最終性能上可能產(chan) 生的改變。

研究1.作為(wei) 工藝參數（材料及其他）函數的
形狀偏差

對於(yu) 本研究案例，我們(men) 使用“選擇性激光熔化"技術兩(liang) 次生產(chan) 相同的試樣，但是使用了兩(liang) 種不同的材料。我們(men) 希望藉此看到這種變化對製造零件的整體(ti) 形狀將會(hui) 產(chan) 生的影響。我們(men) 選擇鈦合金Ti6Al4V和鋁合金AlSi10Mg作為(wei) 我們(men) 的測試材料，原因是它們(men) 在航空和醫療行業(ye) 廣泛使用[1]。

通過S wide，我們(men) 測量了這兩(liang) 個(ge) 樣品以及一個(ge) 參考樣品，並用3D比對軟件對它們(men) 進行比較。

圖1.製造樣品的照片及其3D比對的屏幕截圖（左：Ti6Al4V。右：AlSi10Mg）

3D比對顯示了SLM製造零件相對於(yu) 參考的差異。我們(men) 可以看到，在樣品幾何形狀的邊緣可見更大的偏差，但使用這兩(liang) 種材料整體(ti) 形狀得到了保持。然而，由於(yu) 球化效應的原因，由鋁合金製成的樣品在表麵的某些部位顯示出一些較高的偏差[2]。

我們(men) 還進行了類似的測試，但這一次使用的兩(liang) 個(ge) 樣品使用相同材料製造，同時改變了SLM機器的一個(ge) 內(nei) 部參數（光束補償(chang) ）。由於(yu) 這次的預期偏差更小，我們(men) 使用CAD文件而不是參考樣品作為(wei) 3D比對的參考。

實際上，這將是控製生產(chan) 的*適當的方式：在CAD模型中的不同區域設置一些公差，然後據此分析生產(chan) 的部件。

圖2.相同試樣兩(liang) 個(ge) 不同單元的表麵形貌和CAD比對（3D和2D橫截麵）

在圖2中，我們(men) 可以看到一個(ge) 樣品和另一個(ge) 樣品之間的差異，一些關(guan) 鍵點被突出顯示。 我們(men) 還可以選擇一個(ge) 橫截麵，並分析每個(ge) 樣品中的輪廓如何得到修改。下一步將是返回製造工藝，調整參數，使輸出始終符合我們(men) 的預期。

研究2.作為(wei) 打印角度函數的表麵紋理變化

製造零件的表麵紋理可能對其功能性能至關(guan) 重要。因此，了解增材製造工藝中的不同變量可能會(hui) 如何影響不同的表麵紋理參數是一個(ge) 熱門研究主題。

對於(yu) 第二個(ge) 案例研究，我們(men) 製造了另一個(ge) 試樣的不同單元（1 cm x 1 cm，厚2-mm的正方形），但改變了打印角度。這是製造商和研究人員當中的一種常見測試，他們(men) 使用增材製造來了解機器在這些情況下的性能。

我們(men) 使用我們(men) 的 S neox 3D optical profilometer 米兰竞猜足球官网首页並垂直於(yu) 光軸定位這些樣品，測量不同樣品在若幹位置上的表麵紋理。然後根據 ISO 25178 使用相同的排料指數來篩選測量值，以確保有意義(yi) 的比對，最後使用 SensoPRO software 軟件來確定哪些參數造成了每組測量值的差異。

圖3.不同打印角度的示意圖，以及測量組A （25º打印角度的樣品）、測量組B （40º打印角度的樣品）和測量組C （55º打印角度的樣品）測得的表麵粗糙度參數

結果表明，當印刷角度變化時，造成表麵紋理很大的變化。更具體(ti) 而言，我們(men) 的結論是Sdr（展開麵積比）是改變最多的參數之一，這與(yu) 參考文獻[3]相一致。Sdr參數在與(yu) 增材和包覆相關(guan) 的應用中非常重要，因此打印角度對於(yu) 功能性能與(yu) 粘附和包覆相關(guan) 的增材製造表麵（例如疏水表麵）將會(hui) 十分關(guan) 鍵。

在我們(men) 的第一項研究中，我們(men) 能夠表征增材製造工藝的一個(ge) 單個(ge) 參數可能如何改變生產(chan) 出樣品的形狀。在第二項研究中，我們(men) 還能夠通過識別特征表麵紋理參數來定量區分以不同角度打印的樣品。

具有“光柵投影"技術的S wide system, 係統被用於(yu) 形狀測量，而S neox則被用於(yu) 表麵粗糙度測量。在S neox的案例中，由於(yu) “Ai變焦"技術所具有的速度和HDR模式，被選擇作為(wei) 測量微米級粗糙度的適當技術。然而，從(cong) 完工表麵到拋光後續處理表麵，共聚焦和幹涉技術（也包括在同一係統中）正被用於(yu) 表征各種增材製造部件。由於(yu) 在同一係統中集成的不同光學計量技術，S neox的多功能性已被證明具有極大助益。