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越来越复杂的零件如何精准测量?
发布:kittyll   时间:2016/11/16 12:26:13   阅读:144 
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现在,当你去参观一个制造业相关的展会,能看到在许多供应商的展位上都展示着利用3D打印技术制备的色彩鲜艳的零部件模型;而且,供应商之间彼此竞争,力求率先制造出结构、外形更加复杂的产品,越复杂越好,最好是能够利用3D打印技术制备出一些先前利用传统制造技术难以制备出的产品。
 

图中即为一个难以测量的零部件;图片来源:Neomek Inc.
 
最近作者本人就遇到了这样一件事:我在一个制造业贸易展上看到了一个微小的金属零部件,除了3D打印技术,这种零部件不可能利用其他技术制备出来。该展位的参展商代表向我指出,这个零部件中的微型小孔内部都是完全贯穿的,因此,我问了他一个我自认为是一个非常合理的问题:“你怎么知道这些微型小孔内部都是完全贯穿的”?他回答到:“因为这些小孔都在CAD模型中画好了啊”。从一个质量检测人员的角度考虑,这实在不是一个很好的回答!
 
人们普遍认为,如果3D打印产品要与其他制造技术制备的产品进行竞争,它们必须要能够在价格、材料性能和材料完整性上取得优势,但是人们经常忽略的一点是:与其他制备方法相比,这些3D打印产品同样应当满足一定的尺寸精度标准。
 
在3D打印机用户中存在着这样一个误解,并且由于供应商的吹嘘,该误解差点被人们当成了正确的认知,即:利用3D打印技术制备的产品是完美的,打印精度都是在机器的标定精度之内,因此并不需要对打印产品进行检测。但是,从质量检测人员的角度考虑,这是一个非常可笑且错误的观点,然而却有相当一部分人持有这个观点。
 
随着3D打印技术相关领域的进步,人们现在已经能够以更快的打印速度、更高的打印精度打印出质量更高的产品,并且可打印产品的体积正变得更大(或更小)。这个行业正在寻找更为广阔的应用市场,包括技术、产品研发、设备开发等,并逐步与传统的“减材技术”产生正面竞争。
 
3D打印技术的出现对制造业进行了重新定义,它使得以前一些不可能实现的任务现在能够轻松完成,这极大的鼓舞了制造业内人们的信心,因此大家都渴望能够利用这种技术获得大批的生产订单。虽然人们的这种想法以及热情很好理解,但是他们却忽略了一些非常基本但极其重要的事实。那就是在生产产品的销售过程中,有一些规则是必须要接受的;第一规则就是,你必须能够验证并且确保你所生产的产品的确是你所说的产品,也即你能够保证你所销售的产品性能能够达到你所宣传的。尤其是在一些涉及到安全性能的关键行业,例如医疗、航空航天、国防和汽车等。对这个规则进行细分则能划分出更多具体的规则,不变的是你需要采用合理的方式对你的销售产品进行检测验证。对于在3D打印行业中,这些规则同样适用。用一句老话概括就是,如果你不能对你的产品进行合理的测量验证,那你就不应该对外销售该产品。
 
传统的加工机床一般都需要进行严格、坚固的安装,人们对于这种生产技术的产量控制已经有了上百年的研究了解,但即使如此,利用这种技术制备出来的产品仍然需要进行检测测量,通常测量都会采用一套独立的测量装置,且该装置的测量精度还要高于上述机床设备本身的精度。一些常用于对产品尺寸进行测量的装置,例如坐标测量机(CMMs),通常都具有精确的空气轴承(一种消除摩擦的轴承),并且存放于温度可控的环境中。上百年的经验告诉我们,如果我们真的需要保持测量精度,那么这些测量细节就必须要注意到。考虑到并非所有的3D打印机都是严格的固定安装以及配备了精密的测量机械装置,因此对于这类产品进行测量通常都存在一些问题。
 
现在,我们越来越迫切的需要找到能够测量复杂的、在过去可能并不存在的一些零件或装配体的技术方法,并且按照行业标准对其进行尺寸完整性标准测量。除了3D打印的零部件,通过一些诸如熔模铸造、塑料注射成型以及电化学侵蚀等技术制造出来的部件有时也会非常复杂以至于超出常规测量的能力。
 
其他一些可能会导致测量变得更加困难的因素包括:不能触碰的高度抛光过的表面,精密加工、具有严格公差的表面等,这些表面有可能会使得这个零部件无法进行测量。
 
检测方法的选择
 

工业CT扫描仪;图片来源:Neomek Inc.
 
当面对这些难以测量的零部件时,我们现在有一些测量解决方案可供选择。有时候某种单一技术就可能满足测量的所有要求,例如,高速光学坐标测量机就具备快速、精确的测量抛光过表面(不需要接触表面)的能力,这种装置能够满足很多来自医疗以及航空航天领域的复杂零部件的测量要求。但是,当待检测零件或者装配体具有一些必须测量的、从外部难以看到的内部特征时,这种光学坐标测量机可能就不再有效了。如果零部件在设计时考虑了可以使用常规坐标测量机检测其内部结构,那检测相对就比较容易,如果没有,那么计算机断层扫描技术(CT扫描)则是可以采用的一种很好的检测方法。
 
CT扫描技术用于测量3D打印零部件
 

一个眼镜螺钉的stl文件格式;图片来源:Neomek Inc.
 
CT扫描技术属于射线检测的领域范畴。对于大多数人而言,关于CT的了解可能源自于医学上的CAT(计算机X射线轴向分层造影)扫描。虽然两者属性确有相似之处,但在不同的行业中两者又具有一些差异。在工业上,CT扫描技术主要是作为一种无损检测技术对于一些零部件的缺陷以及孔隙进行检测。利用CT扫描技术能够获得被检测物体的一系列截面图,将这些截面图组合起来即可形成被检测物体的三维立体图像,人们能够对这些图像进行测量操作,此外还可以将该三维立体图像与初始CAD模型图进行对比等。这些特点使得该技术极其适合对于具有隐藏内部特征,利用传统技术难以测量的零部件进行全面的测量。
 
利用工业CT扫描技术执行检测或测量时通常都会涉及到创建一个“虚拟的零部件”,并且可以以.stl文件格式或者3D体数据形式存储,这些都已经足够计量软件对该测试件进行准确测量了。
 
如前面所述,传统的测量机器,例如专用于测量生产部件的三坐标测量机一般都会被严格、牢固地安装在花岗岩基座上,并且包含许多高精度的部件;类似地,用于计量的CT扫描仪有时同样需要采取相似的方式进行安装。
 
CT扫描技术用于计量方面
 
一台用于执行测量操作的CT扫描仪的成本可能已经与制造类似尺寸零部件的中高端金属打印机具有同样的价格。虽然许多公司的生产加工中心已经能够接受(通常是勉强接受)这点,因为他们知道公司需要投资质量检测系统和测量工具方面,但是依然有不少人认为这并不是必要的。这种情况需要得到改变,尤其是在航空航天、医疗、汽车等行业中,在产品销售之前对产品进行合理的检测及测量是非常重要且有必要的,而工业CT扫描技术则能够很好的帮助人们实现这个目标。
 
 
文中部分图片来源于网络
 
译自:qualitymag
来源:材料与测试
译者:vince

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