增材制造中的计量学是一门测量和验证通过 3D 打印生产的零件以确保它们符合精确设计规范的科学。在公差可以决定部件是否在飞机上飞行或在负载下失效的时代，精度已不再仅仅是目标，而是必需品。根据 2024 年 ASTM 的一项研究，超过 40% 的增材制造生产延迟归因于未检测到的尺寸误差或表面不一致。这一数字凸显了为什么测量技术已成为增材制造工作流程中不可或缺的一部分。
增材制造开启了一个复杂几何形状和轻量化设计的世界，但这些好处也带来了验证和可重复性方面的新挑战。本文探讨了计量在增材制造中的重要性、其在提供实时过程反馈方面的作用，以及弥合设计、生产和检测之间差距的新兴创新。
什么是增材制造，为什么精度很重要？
增材制造是一种使用聚合物、金属和复合材料等材料从数字 3D 模型逐层构建物体的生产过程。由于每一层都有助于整体结构，因此精度直接影响强度、功能和尺寸精度。
即使在层沉积过程中出现最微小的偏差，也可能导致变形或内部应力，从而使零件在测试前失效。因此，计量学（定义为测量科学）是增材制造质量保证的基石。通过监控公差和验证几何形状，制造商可以确保打印组件的性能完全符合设计要求。换句话说，数字意图与物理实现之间的桥梁完全取决于测量精度和维护精度的水平。
什么是增材制造中的计量学？
增材制造中的计量是在整个设计、打印和验证阶段应用测量科学来确认零件质量的过程。它集成了传感器、扫描仪和分析工具，可验证关键尺寸和表面特性。
在 3D 打印的背景下，计量学确保每个打印层都与数字模型的预期几何形状相匹配。它还通过收集支持航空航天和医疗设备等行业认证的测量数据来实现可追溯性。从粉末表征到最终零件检测，测量是连接增材生产每个阶段的线索。
增材制造工艺如何给测量带来新的挑战？
由于增材制造工艺的复杂性和可变性，它给计量学带来了独特的挑战。零件通常具有内部通道、晶格结构和有机形状，这些都难以通过传统工具进行测量。
粉末熔融造成的表面粗糙度、冷却过程中的收缩以及材料沉积不均匀都会引入偏差，使尺寸验证变得复杂。此外，高分辨率扫描会产生海量数据集，需要先进的软件才能高效处理。
因此，工程师必须重新思考如何测量精度，不仅在打印完成后，而且在打印过程中也需要进行测量。这种转变导致对能够直接从打印室获取实时反馈的混合测量技术的需求日益增长。
增材制造中使用的主要计量技术是什么？
增材制造中的计量技术包括接触式和非接触式系统，旨在高精度测量外部和内部几何形状。每种方法都服务于从粉末验证到最终检查的工艺链中的不同阶段。
使用最广泛的技术包括：
- 坐标测量机 （CMM）：使用触觉探头以微米级精度捕获成品零件的尺寸精度。
- 激光扫描和结构光扫描：捕获数百万个表面数据点以形成详细的 3D 点云，以便与 CAD 模型进行比较。
- 计算机断层扫描 （CT） 扫描：可进行全面的内部检查，以检测孔隙率、空隙或未对准的层。
- 光学和共聚焦显微镜：在微观尺度上测量表面光洁度、纹理和层均匀性。
- 原位过程监控：利用摄像头、热传感器和激光实时跟踪零件形成。
每种技术都与其他技术相辅相成，创建一个完整的质量保证生态系统，该生态系统在印刷前、印刷中和印刷后验证准确性。
原位计量（In-Situ Metrology）在 3D 打印环境中如何工作？
原位计量直接在增材制造过程中运行，以检测出现的偏差。这种方法依赖于集成传感器、摄像头和反馈系统，用于监控温度、激光功率和粉末沉积速率等变量。
当系统发现异常情况时，可以自动调整参数或提醒操作员，防止材料浪费并确保尺寸完整性。原位系统构成了闭环制造的基础，其中测量数据持续指导过程控制。
现代打印机制造商，例如为工程应用提供工业 3D 打印机的制造商，越来越多地集成此类反馈系统，以帮助工程师在多个构建中实现更高的良率和更好的一致性。
将计量学与增材制造相结合有哪些优势？
将计量与增材制造相结合，可在整个生产工作流程中带来可衡量的优势。它增强了零件验证，加快了上市时间，并建立了对 3D 打印组件可靠性的信心。
以下是五个主要优势：
- 提高尺寸精度：在错误传播到多层之前检测并纠正错误。
- 通过生成可追溯的检测数据以实现法规和工业合规性，实现更快的零件认证。
- 减少浪费和返工：及早识别超出公差的区域，以最大限度地减少废料并优化生产效率。
- 支持预测性维护：使用连续数据来预测机器磨损或环境变化。
- 通过将所有测量记录在统一数据库中以供将来审核或重印，增强数字可追溯性。
增材生产和精密测量之间的协同作用正在改变行业实现可重复、高性能结果的方式。
AM 中当前计量的局限性或缺点是什么？
尽管有其优势，增材制造中的计量集成仍面临一些限制可扩展性和可负担性的障碍。
主要缺点包括：
- 设备成本高：先进的扫描仪和 CT 系统代表了大量的资本投资。
- 复杂的数据解读：海量的检测数据需要专门的软件和专业知识。
- 内部几何形状难以获取：即使对于最先进的成像技术而言，大型或高密度金属部件也构成重大挑战。
- 需要专业操作员：熟练的技术人员对于确保校准和结果的一致性至关重要。
在通过自动化和降低成本来缓解这些挑战之前，小型制造商可能会发现全面集成计量技术在经济上是难以承受的。
计量如何实现增材制造质量控制的闭环？
闭环涉及利用计量数据不断完善和控制增材制造过程。在该系统中，每次测量都会为下一个生产步骤提供信息，从而创建一个反馈驱动的循环，最大限度地减少人工干预的需要。
循环通常涉及四个主要阶段：
- 数据采集：传感器在打印过程中或之后捕获测量结果。
- 数据分析：软件识别偏差或错误模式。
- 过程校正：机器参数实时调整。
- 验证：测量确认校正恢复了准确性。
这个周期构成了工业 4.0 制造的支柱，自动化、分析和检测协调工作，以交付满足或超过设计意图的零件。
传统质量验证与增材制造计量的比较
增材制造计量技术的变化并非体现在仪器的原始精度上。接触式三坐标测量机仍然是点精度的黄金标准，但面向增材制造的光学或CT系统以及原位监测能够提供更密集、更快速的数据，并且可以在打印机运行过程中进行数据采集。
重要性：在增材制造中，计量学的角色从“最后检验”转变为“边做边控”。即使三坐标测量机（CMM）能够实现更低的测量点不确定度，增材制造专用扫描、CT扫描和原位监测也能更早地提供更丰富的数据，并支持在制造过程中进行修正。这正是质量保证从被动检测转向主动控制的关键所在。
标准和认证如何支持增材制造中的计量？
标准定义了如何在不同材料、机器和行业之间保持质量和可追溯性。在增材制造中，合规性可确保测量结果在全球范围内一致且可验证。
诸如ISO和ASTM等组织已制定了包括ISO/ASTM 52900在内的术语和过程控制框架。在航空航天领域，AS9100认证强制要求使用可追溯的计量系统来验证飞行关键部件。美国国家标准与技术研究院（NIST）也通过创建增材制造材料和仪器的校准基准做出了贡献。
这些努力共同有助于统一测量语言，使制造商能够自信地比较数据和认证零件。
计量学在增材制造中的主要应用是什么？
计量技术为增材制造的广泛应用提供支持，涵盖从研究到大规模生产的方方面面。其影响遍及所有对精度要求极高的行业。
五种最常见的应用包括：
- 航空航天零件认证：确保飞行硬件符合严格的尺寸标准。
- 医疗植入物验证：在手术前确认患者特定的植入物完美贴合。
- 汽车原型制作加速了设计验证和测试过程。
- 能源和涡轮机检查：验证高温部件中的复杂冷却通道。
- 材料研发：使研究人员能够研究实验合金的微观结构和孔隙率水平。
每个应用都加强了计量和产品完整性之间的关键联系。
如何将计量学集成到 3D 打印工作流程中
将计量技术集成到增材制造中需要一种结构化的方法，以确保每个步骤都有助于可衡量的改进。该过程可分为五个主要步骤：
- 确定质量关键特征：确定哪些尺寸或表面需要验证以确保质量。
- 选择合适的测量技术：将零件几何形状和材料与最佳扫描或探测系统相匹配。
- 校准工具：确保所有仪器均可追溯至公认的标准和校准协议。
- 执行制造前和制造后检查：验证粉末均匀性、零件方向和成品精度。
- 将数据反馈回路：利用洞察结果调整工艺参数，保持输出稳定。
提供制造质量审核咨询的公司通常会帮助实施此类结构化系统，确保计量数据与质量管理计划无缝集成。
增材制造中计量的未来是什么？
增材制造计量技术的未来在于智能自动化和数字化互联。人工智能如今能够比人工操作员更快、更准确地解读扫描数据。
数字孪生技术，即零件和机器的虚拟副本，正被用于实时模拟测量和校正。同时，基于云的检测平台使全球团队能够即时查看和批准结果。
随着系统的发展，测量将成为生产中默默无闻的伙伴，在幕后不断工作，以确保每个打印部件都能达到预期的形状和功能。
结论
在增材制造中，计量并非可有可无，而是其核心所在。它指导设计、监控生产并验证最终成果。通过构建打印与验证之间的闭环，制造商能够获得所需的稳定性和信任度，从而将增材制造技术从原型制作扩展到更广泛的应用领域。
随着测量技术的不断发展，自主、自校正的 3D 打印生产线的愿景正在迅速成为现实，重塑了精密制造对成功的定义。
作者 Ruben Nigaglioni – Raise3D 业务拓展代表
了解更多信息，请访问：www.raise3d.com
