ZYGO ZeGage Pro在增材制造粉末床表征中的应用

ZYGO ZeGage Pro在增材制造粉末床表征中的应用

增材制造（3D打印）的粉末床质量直接影响最终零件的性能。ZYGO ZeGage Pro光学轮廓仪能够对金属或聚合物粉末床的表面进行非接触、高分辨率的三维形貌测量，为评估粉末铺展均匀性、粒径分布、粉末层厚及熔池区域形貌演变提供关键的量化数据，服务于工艺优化与过程监控。

在粉末床熔融（PBF）工艺中，每一层粉末的铺展质量是保证打印件致密度、尺寸精度和表面光洁度的基础。传统的二维图像分析难以精确评估粉末层的三维堆积状态。ZeGage Pro通过白光干涉技术，可以快速获取选定区域粉末床表面的三维形貌，揭示单层粉末的微观结构。

在粉末铺展质量评估方面，该系统可以：

• 测量粉末层表面粗糙度：计算铺粉后表面的三维粗糙度参数（如Sa, Sq），量化评估铺粉的均匀性。粗糙度过大可能意味着铺粉不平、存在刮痕或粉末团聚。
• 分析粉末粒径与分布：通过对粉末颗粒成像并进行三维尺寸分析，可以统计粉末的等效粒径、圆形度及在床面上的分布情况。这对于验证所用粉末是否符合规格，以及优化刮刀/辊子速度与铺粉厚度之间的关系至关重要。
• 检测铺粉缺陷：识别并定位因铺粉机构（刮刀、辊子）磨损、污染或工艺参数不当导致的缺陷，如条纹、沟槽、粉末缺失区域（局部未覆盖）或粉末堆积。三维形貌可精确测量这些缺陷的深度和空间范围。
• 在工艺开发与监控中，其应用进一步深入：

• 熔池及热影响区形貌分析：在单道扫描或单层打印后，使用ZeGage Pro测量熔池轨迹的三维形貌，包括熔道宽度、高度、接触角以及相邻熔道间的搭接情况。分析热影响区的表面起伏，关联激光功率、扫描速度等参数，优化能量输入以获取平整、连续的熔道。
• 层厚一致性测量：在打印过程中间断性地测量实际粉末层厚度，与设定的铺粉厚度进行对比，确保工艺的稳定性。
• 粉床预热效果评估：对于需要预热的工艺，测量预热后粉末床的表面形貌变化，评估粉末因受热可能发生的轻微烧结或流动性改变。
• ZYGO ZeGage Pro在此应用中的优势在于其非破坏性和高分辨率。测量过程不会扰动精密的粉末床，且能提供亚微米级的垂直分辨率，足以分辨大多数金属粉末（通常15-60微米）形成的表面微观起伏。其快速的测量能力允许对多个位置进行抽样检测，获得统计上可靠的粉末床质量数据。通过将粉末床的微观形貌与最终打印件的孔隙率、机械性能相关联，可以建立从原料到成品的质量控制链，推动增材制造从“艺术”走向基于数据的“科学”。