雖然金屬3D打印技術(shù)在制造業(yè)有著很大的發(fā)展空間，但仍有許多問(wèn)題阻礙了它的廣泛使用。除了金屬3D打印機(jī)的成本較高之外，還有一個(gè)很大的問(wèn)題是打印的可重復(fù)性和質(zhì)量控制，特別是涉及到像直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）這樣的粉末床工藝時(shí)，這個(gè)問(wèn)題更為突出。在打印過(guò)程中，由于零件支撐結(jié)構(gòu)的布局和減小其剩余壓力所引起的變化，打印機(jī)操作者或工程師可能要多次打印才能得到最終想要的效果。

　　因此，許多公司正在努力控制打印環(huán)境來(lái)可靠且可重復(fù)地生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)零件，由洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的前工作人員成立的Sigma Labs公司就是其中之一。該公司一直在為粉末床金屬3D打印工藝開(kāi)發(fā)質(zhì)量控制硬件和質(zhì)量控制軟件。

　　作為美國(guó)官方3D打印創(chuàng)新研究機(jī)構(gòu)America Makes的成員，Sigma Labs一直在與國(guó)防和航空航天制造領(lǐng)域的知名公司，如GE和Honeywell，進(jìn)行高水平的3D打印項(xiàng)目合作。GE和Honeywell已經(jīng)開(kāi)始在自己的內(nèi)部機(jī)器上測(cè)試Sigma Labs獨(dú)有的過(guò)程質(zhì)量保證（IPQA）軟件。

　　“在與波音公司的共同努力下，我們的質(zhì)量保證軟件終于投入使用。六年前，波音正在為他們的787 Dreamliner進(jìn)行鈦合金線性摩擦焊接。當(dāng)時(shí)我們?yōu)椴ㄒ艄狙邪l(fā)的技術(shù)形成了今天質(zhì)量保證軟件（the quality assurance software）的基礎(chǔ)。”Sigma Labs的CEO Mark Cola說(shuō)，“此后多年，我們跟波音公司一起開(kāi)發(fā)這款軟件，但被應(yīng)用到了不同的制造工藝上。”

　　Sigma Labs開(kāi)發(fā)的質(zhì)量保證軟件可以被應(yīng)用到許多制造工藝上，包括其他形式的3D打印。

　　事實(shí)上，Cola說(shuō)Sigma Labs已經(jīng)在Arcam的電子束熔融3D打印技術(shù)上成功地實(shí)施了PrintRite3D，然而現(xiàn)在Sigma Labs的開(kāi)發(fā)重點(diǎn)是DMLS。

　　目前，PrintRite3D由三個(gè)云軟件模塊（INSPECT 、CONTOUR 和ANALYTICS）和一個(gè)硬件包（SENSORPAK）組成。硬件包可由Sigma Labs授權(quán)單獨(dú)使用。

　　SENSORPAK包括一系列傳感器和一個(gè)整合到3D打印機(jī)上的計(jì)算機(jī)接口以監(jiān)控打印過(guò)程。

　　INSPECT 模塊監(jiān)測(cè)3D打印機(jī)打印室的溫度，來(lái)提供可操作的冶金數(shù)據(jù)。

　　CONTOUR 模塊處理零件的可視化數(shù)據(jù)，以提供有關(guān)零件的幾何信息。

　　仍在開(kāi)發(fā)中的ANALYTICS模塊會(huì)把來(lái)自多臺(tái)機(jī)器和多個(gè)零件的所有信息聯(lián)系在一起，即時(shí)為一家公司提供全局的打印、產(chǎn)品和打印機(jī)數(shù)據(jù)。

　　PrintRite3D工作流程先讓SENSORPAK在打印過(guò)程中收集大量的熱歷史數(shù)據(jù)和成像數(shù)據(jù)，然后再執(zhí)行數(shù)據(jù)還原，完成后會(huì)把數(shù)據(jù)發(fā)送給云應(yīng)用。云應(yīng)用收到數(shù)據(jù)后會(huì)對(duì)其進(jìn)行處理分析，之后再將數(shù)據(jù)傳送給機(jī)器操作員。操作員據(jù)此來(lái)確定打印過(guò)程中的打印質(zhì)量。

　　INSPECT 模塊和CONTOUR 模塊提供了許多必要的過(guò)程質(zhì)量保證，特別是打印對(duì)象的冶金和幾何數(shù)據(jù)。機(jī)器操作員也可以和Sigma Labs一起來(lái)為每種材料和和每種零件確定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的打印和打印過(guò)程。這樣，在打印過(guò)程中，打印對(duì)象就有了一個(gè)參照標(biāo)準(zhǔn)，以此來(lái)保證正在被打印的零件是合格的。

　　“打印時(shí)，你需要一種途徑，以確保正在被打印的對(duì)象是符合設(shè)計(jì)意圖的。”Cola指出，“這個(gè)途徑就是制定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，且這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)永遠(yuǎn)不會(huì)改變，其他一切都將以此為準(zhǔn)。在設(shè)計(jì)模型時(shí)，你用我們的傳感器和軟件應(yīng)用來(lái)制定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，然后再用我們的數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)將這一標(biāo)準(zhǔn)存檔；當(dāng)你在進(jìn)行產(chǎn)品測(cè)試時(shí)，還會(huì)繼續(xù)參考這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

　　在3D打印中，質(zhì)量保證是必要的。在打印最終使用零件前，其設(shè)計(jì)首先會(huì)經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)和錯(cuò)誤測(cè)試，同時(shí)機(jī)器操作員會(huì)決定打印參數(shù)。然而，確定零件是否達(dá)標(biāo)的質(zhì)量保證方法往往昂貴而耗時(shí)，甚至具有破壞性。

　　這些方法包括破壞性測(cè)試，在這種測(cè)試中，操作人員會(huì)毀壞零件來(lái)測(cè)量其物理性能以及它是如何承受各種壓力的；當(dāng)然也有非破壞性測(cè)性技術(shù)，如X射線或超聲波測(cè)試。破壞性測(cè)試檢查得十分徹底，非破壞性測(cè)試卻可能無(wú)法檢查使得3D打印變得如此有價(jià)值的復(fù)雜內(nèi)部幾何形狀。

　　“公司一般采用計(jì)算機(jī)斷層掃描。”Cola說(shuō)，“你可以想象那樣成本得多高。對(duì)于那些非常復(fù)雜的設(shè)計(jì)，我們有一些客戶，他們每花一美元來(lái)制作零件，就得花四到六美元來(lái)檢查它，確保零件正確的成本太高了。因此，他們十分希望制造和檢查能同時(shí)進(jìn)行。”

　　Cola指出，IPQA是一種用來(lái)確定零件質(zhì)量和檢查零件是否達(dá)標(biāo)的更有效的方式，且成本可能會(huì)更低。隨著3D打印用戶對(duì)這項(xiàng)技術(shù)越來(lái)越有信心，IPQA 可以開(kāi)始取代一些在零件打印完成后才對(duì)其進(jìn)行檢查的質(zhì)量保證方法。

　　Sigma Labs公司CEO Mark Cola

　　最近采用Sigma Labs的IPQA系統(tǒng)的制造公司是Woodward。Woodward主要為航空航天制造商，如GE、普惠、勞斯萊斯和霍尼韋爾（Honeywell），提供燃料電路和燃料噴嘴等零件。

　　Cola解釋說(shuō)，“今年秋天，Woodward將安裝他們的第一臺(tái)內(nèi)部金屬3D打印機(jī)，他們想在這臺(tái)機(jī)器使用的第一天就安裝上我們的質(zhì)量保證軟件。”目前，Woodward已加入Sigma Labs的早期采用者計(jì)劃（Early Adopter Program），Woodward將評(píng)估PrintRite3D的軟件模塊。為此，Woodward將在一臺(tái)新的EOS M290 3D打印機(jī)上安裝PrintRite3D。

　　Sigma Labs仍在繼續(xù)與公司合作來(lái)提高自身產(chǎn)品，同時(shí)擴(kuò)大影響。除了上述航空公司外，它還在與EOS、通快（Trumpf）等3D打印機(jī)生產(chǎn)商合作，直接將PrintRite3D應(yīng)用到他們的機(jī)器上。軟件方面，Sigma Labs已經(jīng)在與Materialise合作，將PrintRite3D直接嵌入Materialise的3D打印自動(dòng)化與控制系統(tǒng)Streamics上。

　　Sigma Labs目前也在與質(zhì)量控制領(lǐng)域的另一家公司3DSIM合作開(kāi)發(fā)聯(lián)合產(chǎn)品。Cola說(shuō)，3DSIM致力于質(zhì)量控制的前端，而Sigma Labs則與其相反，專(zhuān)注于后端，即打印過(guò)程中的質(zhì)量保證和統(tǒng)計(jì)控制。

　　Cola真正想實(shí)現(xiàn)的是一個(gè)過(guò)程質(zhì)量控制機(jī)制，一個(gè)閉環(huán)反饋回路，以糾正打印過(guò)程。為了得到一個(gè)閉環(huán)反饋回路，Cola認(rèn)為首先應(yīng)該建立過(guò)程監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集。

　　通過(guò)與所有這些公司合作，Sigma Labs已經(jīng)將它的解決方案融入到3D打印行業(yè)的方方面面，從最終用戶如GE到制造商如EOS和軟件開(kāi)發(fā)商像Materialise。為了實(shí)現(xiàn)徹底閉環(huán)，Cola說(shuō)Sigma Labs也已經(jīng)成立了一個(gè)3D打印服務(wù)部。在這個(gè)部門(mén)，Sigma Labs可以與客戶一起設(shè)計(jì)、測(cè)試、打印零件并確保其達(dá)標(biāo)?？蛻艏瓤梢詫rintRite3D內(nèi)化成第三方服務(wù)部，也可以讓Sigma Labs為他們3D打印零件。

　　最終，Cola看到IPQA不僅被應(yīng)用到3D打印行業(yè)，還被應(yīng)用到其他制造領(lǐng)域。他解釋說(shuō)，“隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的興起，所有這些制造機(jī)器都需要一臺(tái)邊緣計(jì)算機(jī)。它也許是我們的SENSORPAK，但里面可能會(huì)有不同的傳感器，因?yàn)檫@是一個(gè)不同的過(guò)程。”

　　換句話說(shuō)，在不久的將來(lái)，PrintRite3D可能會(huì)提高3D打印。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，類(lèi)似的過(guò)程質(zhì)量保證技術(shù)可以應(yīng)用到各種類(lèi)型的先進(jìn)制造設(shè)備上。