技術(shù)基礎(chǔ)
激光增材制造（LAM）設(shè)備有兩種類型：粉末床和送粉式。近期業(yè)內(nèi)較多的關(guān)注集中在后者身上， 本文討論的也主要是后者。
圖1顯示了通用的粉末床系統(tǒng)的原理示意圖， 在該系統(tǒng)的整個工作區(qū)中使用刮板來進(jìn)行平整粉末的步驟， 以在構(gòu)建平臺上建立粉末床， 整個過程是在可以控制內(nèi)部環(huán)境的成形保護(hù)室內(nèi)進(jìn)行。激光能量傳遞到粉末床的表面，引起粉末的局部熔化和融合，使得該區(qū)域的金屬粉末固化。
通常情況下，每一道激光掃描能熔化并重新凝固數(shù)層粉末，粉末層的厚度通常為20至150μm。在每一次激光照射后將額外的粉末從工作區(qū)刮掉，然后重復(fù)上述過程，直到構(gòu)建出一個堅固的三維（3D）零件。每一個“構(gòu)建”過程包含數(shù)以千計的分層，因此每次運行需要花費幾十到幾百個小時。每一次“構(gòu)建”可以生成數(shù)十個相同或不同的零件。
由于在金屬增材制造過程中是一層接著一層熔化并且快速凝固，所以零件經(jīng)歷了涉及定向熱傳遞的復(fù)雜的熱演化歷程。一些主要用于航空航天和醫(yī)療/牙科應(yīng)用的合金零件甚至可能會遇到反復(fù)的固態(tài)相變。這些因素使得對成品顯微結(jié)構(gòu)屬性的分析，相對那些使用傳統(tǒng)方式制造的零件而言，變得更為復(fù)雜。頻繁的定向熱量提取會導(dǎo)致晶粒結(jié)構(gòu)在Z軸方向（垂直于構(gòu)建平臺）呈柱狀，并且“在增材制造中，各處的顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能通常呈各向異性，而Z軸方向一般是最弱的”。激光選區(qū)熔化（SLM）工藝的典型缺陷包括顯微疏松以及相鄰層之間融合不好。航天應(yīng)用特別關(guān)注的是靠近零件表面的孔隙引發(fā)的疲勞裂紋，同時表面光潔度也會對疲勞壽命造成影響。
綜合上述問題一起考慮，特別是那些對結(jié)構(gòu)起到關(guān)鍵作用的零件，廣泛應(yīng)用增材制造技術(shù)所要面臨的重大挑戰(zhàn)是成品的合格性以及如何檢定其合格性。最近，關(guān)于增材制造的一些報道都在呼吁借助在線、閉環(huán)的過程控制和傳感器來確保增材制造的質(zhì)量、一致性和再現(xiàn)性。總體的目標(biāo)是在空間分辨率低于1mm2的情況下實現(xiàn)穩(wěn)定的分層質(zhì)量評估，這將免除通常在構(gòu)建后進(jìn)行的檢測或破壞性測試。領(lǐng)先的航空航天制造商也非常支持在線監(jiān)測：GE航空發(fā)動機(jī)公司的增材制造業(yè)務(wù)拓展總監(jiān)Greg Morris先生說：“如今，增材制造一個引擎零件所需要的時間中有25%是用于后檢測工序。通過在構(gòu)建過程中實時進(jìn)行在線檢測，我們將加快增材制造引擎零件的生產(chǎn)速度，例如LEAP燃油噴嘴。”
設(shè)備和工藝的多變性
過程監(jiān)控解決的主要問題是增材制造設(shè)備或激光與材料的相互作用所具有的多變性，因為后者會反過來擾亂金屬的微觀結(jié)構(gòu)或宏觀力學(xué)性能。包括構(gòu)建平臺和成形保護(hù)室的溫度、保護(hù)室的氧氣濃度、惰性氣體流經(jīng)粉末表面的速度在內(nèi)的環(huán)境因素將會影響工藝轉(zhuǎn)換和缺陷的形成。在每一次激光掃描過程中，激光功率、焦斑大小和z軸方向的功率密度變化是決定材料熱偏差的潛在波動的關(guān)鍵參數(shù)。晶粒的粒徑分布和形狀將會影響每一層粉末結(jié)合的狀態(tài)，從而影響激光增材制造零件的表面質(zhì)量和密度。關(guān)鍵的運行參數(shù)包括掃描速度和掃描間距（x-y），盡管如今的振鏡掃描器在這些方面表現(xiàn)得足夠穩(wěn)定，并且再現(xiàn)性很好。每一個分層的構(gòu)建或者說“重涂覆”過程也必須在層厚的均勻性以及每層的可重復(fù)性方面保持高度一致。最后一點，零件的幾何形狀將會影響熱傳遞過程。材料的懸垂部分和尖銳棱角部位的熱傳遞有所不同，會引起應(yīng)力變形以及孔隙、針孔或顯微裂紋。SLM Solutions NA公司北美地區(qū)運營副總裁Jim Fendrick指出：“局部的熱力狀態(tài)決定了整個過程，幾何形狀也有關(guān)系。”
如何保證質(zhì)量
鑒于影響材料累積熱暴露的參數(shù)非常多，增材制造設(shè)備實現(xiàn)實時質(zhì)量保證（QA）的方法分成三類：
◆ 傳感器監(jiān)控和控制設(shè)備狀態(tài)的各個方面；
◆ 粉末床表面或?qū)雍竦娜毕?不規(guī)則的評估技術(shù)；
◆ 對激光與材料的小的相互作用區(qū)或者說“熔池”的直接傳感。
領(lǐng)先的增材制造系統(tǒng)供應(yīng)商，例如SLM Solutions（德國Lübeck）公司、Concept Laser公司和EOS公司（德國Krailling），都在借助模塊化硬件和軟件的方法來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。EOS為其模塊命名為“EOSTATE”，而Concept Laser則將其命名為“QM”（質(zhì)量管理）模塊。SLM Solutions公司的系統(tǒng)最多能包含六大模塊，每一個模塊都是根據(jù)自身的功能來命名。
設(shè)備狀態(tài)的傳感
這是商業(yè)化增材制造設(shè)備實現(xiàn)其“過程監(jiān)控”的個方面。步是控制成形保護(hù)室內(nèi)部的狀態(tài)。對惰性環(huán)境的溫度和殘余氧氣含量、構(gòu)建平臺的溫度和系統(tǒng)的氣體凈化過濾器的壓差進(jìn)行監(jiān)控、管理并錄入計算機(jī)。Concept Laser的QMatmosphere模塊能調(diào)節(jié)成形保護(hù)室的氧氣濃度，而EOS的EOSTATEBase模塊能同時監(jiān)測幾個成形保護(hù)室和其他的設(shè)備狀態(tài)。SLM Solutions的Sensors模塊能監(jiān)測整個設(shè)備范圍內(nèi)數(shù)個位置的溫度、過濾器的狀態(tài)、成形保護(hù)室內(nèi)的氧氣濃度，并且每隔兩秒就將這些數(shù)據(jù)錄入到計算機(jī)。