专栏 l 利用CT（计算机断层扫描）提高涡轮增压器叶轮的金属3D打印质量

| 3DScienceValley · 2018/11/21

检测对于增材制造行业的作用在逐渐显现，不仅是检测的价值还有大数据的价值，这对于产品从质量管理（输入端的原材料，加工过程，加工结果，后处理的最终产品）到对工艺的理解和提升（通过数据相关性的分析，人工智能对检测以及其他数据的处理），再到后期的认证（怎么通过航空，汽车等领域的各种认证），检测正在发挥增材制造的生命线的作用。

而如何发挥生命线的作用，仅仅凭着检测所获得的数据是远远不够的，数据是死的，需要有算法来挖掘数据的价值。基于数据可以构建加工过程参数优化，可以通过系统研究不同参数设置对所需结果（孔隙率，表面光洁度等）的影响来完成。当然，要实现通过检测数据提高对工艺的控制，还有很长的路要走。在3D科学谷看来，这其中不仅仅包括基于大数据的算法能力的挑战，还包括对检测技术精确度和速度的挑战。

关于检测与算法的结合如何用到产品的质量管理上，本期谷.专栏特别推荐materialise的一篇案例《利用CT（计算机断层扫描）提高涡轮增压器叶轮的金属3D打印质量》。

为金属部件寻找正确的工艺参数

质量是当下增材制造行业关注的热点，企业正通过大力投资数字化解决方案来改进质量。过去的几年里，在技术和经济效益方面我们看到了很多的进步，但每个专业的金属3D打印工程师都知道，目前还有不少问题需要解决，才能够对复杂部件的质量进行认证。本期，通过分享Materialise 3D打印叶轮的案例，来领略复杂零部件质量认证与控制的思路与方法。

涡轮增压器通常用于提高诸如汽车上的内燃机（ICE）的效率和功率输出。涡轮增压器通常包含安装在公共轴上的两个叶轮：其中一个叶轮用作涡轮，而另一个叶轮用作压缩。

图片：涡轮增压器中的两个叶轮，来源Materialise

在运行过程中，叶轮高速旋转并处于高温下，出现疲劳是一个很现实的问题。采用增材制造设计的部件相比铸造部件质量更轻，能实现叶轮更高的转速和更好的性能。最小化孔隙率并实现具备严格几何公差的精准制造对于确保部件的长期运行至关重要。

在用3D打印制造叶轮时，需要明确两个目标：

第一个目标是最大限度地减少打印过程中的热形变，并确保部件的对称性。不对称的叶轮会导致效率降低，在最坏的情况下还可能造成灾难性的损坏。

第二个目标是保持低孔隙率；Materialise的目标是让叶轮的密度高于99.9％。这对于做过减重优化的零件尤为重要，因为相对来说孔隙率对疲劳寿命影响更大。

为了实现3D打印叶轮的这些质量目标，Materialise与Volume Graphics合作，该公司提供对X射线计算机断层扫描（CT）数据进行分析和可视化的软件。CT是一种非破坏性成像技术，可以提供被测量部件尺寸（例如大小、形状、表面质量）和材料结构（例如孔隙率、杂质、缺陷）的信息。因此，CT是检查3D打印部件的理想选择。在与Volume Graphics的合作中，Materialise使用CT快速可靠地获取检测数据，从而能够优化AM增材制造工艺参数，为此，Materialise还基于研究成果设计了专门的工作流程。

加速3D打印工作流程

优化叶轮3D打印的工作流程如下：

- 通过Magics仿真模块，模拟打印过程

- 基于仿真结果优化摆放角度和支撑位置

- 使用过往经验来调整通用参数集（基于最小化简单立方体的孔隙度）。选择了三个调整后的参数集。

- 根据每个参数集打印一个叶轮。对叶轮进行CT扫描，然后使用Volume Graphics的VGSTUDIO MAX软件确定扫描部件的尺寸与原始工程设计的偏差，计算部件孔隙度并找出缺陷。

左 – Magics视图下带有支撑结构的叶轮
中 – 在Magics仿真模块中模拟得到的尺寸偏差
右 – 通过Volume Graphics使用VGSTUDIO MAX软件获得的CT数据与原始工程设计的实际对比
来源：Materialise

CT扫描对部件尺寸的评估证实了Magics 仿真模块所预测的尺寸偏差，这表明Materialise成功实现了叶轮部件的对称性。

通过在Volume Graphics的VGSTUDIO MAX软件中进行CT扫描和后续分析展现3D打印叶轮的孔隙率，来源：Materialise

在VGSTUDIO MAX中对CT扫描数据进行的孔隙度分析表明，使用最佳参数组可实现0.09％的部件孔隙率，满足我们99.9％的密度目标。当Materialise对孔隙度进行3D可视化后，发现孔隙很小并且在部件内均匀分布——这是改善疲劳寿命的最佳情况。

Magics仿真模块和VGSTUDIO MAX软件CT扫描数据分析的结合使用，让Materialise可以快速找到最小化局部孔隙率并提高部件质量的打印参数。

小结

通过将X射线计算机断层扫描（CT）数据与工程设计和仿真结合起来，Materialise能够在短短几周内快速找到最佳的文件准备参数，并完成这一复杂部件的3D打印。Materialise再次验证了该部件已精确打印且孔隙率最小。Materialise和Volume Graphics软件的结合使用让3D打印的叶轮能够稳定且长期运行成为可能。