DB32T-增材制造 金屬粉末床熔融工藝制件表面結構的測量與表征編制說明

PAGE14《增材制造金屬粉末床熔融工藝制件表面結構的測量與表征》編制說明（送審稿）一、工作簡況1.任務來源《增材制造金屬粉末床熔融工藝制件表面結構的測量與表征》源自2022年度第一批江蘇省地方標準項目計劃（蘇市監(jiān)標【2022】192號），推薦單位為無錫市市場監(jiān)督管理局，承擔單位為無錫市檢驗檢測認證研究院，計劃應完成時間2023年7月。2.主要工作過程起草（草案、調研）階段：任務下達后征集成立標準起草工作組，并于2022年9月召開啟動及第一次討論會議。工作組由來自無錫市檢驗檢測認證研究院、南京師范大學、南京智能高端裝備產業(yè)研究院、南京工業(yè)大學、徐州銘順佰成科技有限公司、江蘇永年激光成形技術有限公司、江蘇激光產業(yè)聯(lián)盟、蘇州大學及中航邁特徐州有限公司等企業(yè)事業(yè)單位的代表共同組成。其中，無錫市檢驗檢測認證研究院牽頭單位組織主要起草工作。討論會上，工作組內專家充分交換意見，初步達成共識，并就后續(xù)的標準制定工作議定了初步的工作計劃。會后，工作組基于與會專家對標準草案的討論情況，對標準文本進行了修改完善。在標準制定過程中，牽頭單位及時將標準文本與工作組內專家共享，并就相關問題進行研討，經過多次充分討論及溝通協(xié)商后，形成了相對完善的標準文本。同時，工作組組織了相關試驗的驗證工作，并基于此，形成了編制說明。征求意見階段:經前期試驗驗證及標準完善工作，工作組于2023年5月形成了征求意見稿。征求意見期間，工作組通過在牽頭單位官方網站、工作組內單位及江蘇省產業(yè)聯(lián)盟單位內征集意見的方式進行意見收集，共收到來自14家單位的31條意見建議。征求意見處理階段:在征求意見結束后，標準編制工作組對各成員提出的意見進行逐項分析研究，并進行匯總分析處理，同時在組織了征求意見處理討論會。來自中航邁特、徐州順佰成、永年激光及南京工業(yè)大學的專家參加了此次討論會，會上，專家圍繞征求意見處理表及標準文本進行了熱烈討論，并形成了一系列的意見建議。會后，標準編制工作組按照會議討論內容對標準文本進行了認真修改完善，形成了標準送審稿。二、標準編制原則和主要內容1.標準編制原則1）原則性：本標準在起草過程中，主要按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規(guī)則》的要求編寫。充分考慮當前增材制造表面測量現(xiàn)狀和技術需求，體現(xiàn)了測試方法標準在技術上的先進性和合理性。2）適用性：由于增材制造工藝原因導致的粉末床熔融表面可能存在球狀突起、表面凹坑、反射率改變、感興趣表面區(qū)域大等問題，同時因結構本身的復雜性等問題還存在傳統(tǒng)測量技術不能企及待測表面的問題，為此，本標準介紹了可用于增材制造制件表面結構表征的問題，并對不同的技術進行了介紹說明。2.標準主要內容本標準規(guī)定了測量與表征的表征方法、待檢件及待測表面、測量設備、測量、數(shù)據處理及測試報告等內容。適用于金屬粉末床熔融制件表面結構的測量與表征，其它工藝增材制造金屬制件表面結構的測量與表征參考使用。1）明確了增材制造金屬粉末床熔融制件表面結構的組成增材制造金屬粉末床熔融制件成形態(tài)時，其表面可分為“頂部表面”、“側表面”和“底部表面”，其中，基于表面取向，側表面又分為向上側表面及向下側表面。不同表面擁有不同的形貌特征（見第5章），在進行表面結構測量時，明確了即只有在買賣雙方事先同意的情況下，某些形貌特征才能被視為缺陷，如果指定了缺陷，在執(zhí)行表面結構測量前應確定是否存在缺陷及是否應拒絕或接受這些缺陷，如果不存在指定的缺陷或未指定缺陷，則應包含在表面結構測量中。2）明確了增材制造金屬粉末床熔融制件表面結構的測量方法本標準通過引用GB/T3505《產品幾何技術規(guī)范(GPS)表面結構輪廓法術語、定義及表面結構參數(shù)》、GB/T33523.2《產品幾何技術規(guī)范(GPS)表面結構區(qū)域法第2部分：術語、定義及表面結構參數(shù)》、GB/T33523.3《產品幾何技術規(guī)范(GPS)表面結構區(qū)域法第3部分：規(guī)范操作集》及GB/T29070《無損檢測工業(yè)計算機層析成像(CT)檢測通用要求》等標準，明確了檢測增材制造金屬粉末床熔融制件表面結構的測量方法。3）明確了增材制造金屬粉末床熔融制件表面結構的表征方法表面形貌指的是制件的真實表面，表面形狀指的是制件的基本形狀，表面結構指的是去除形狀成分后仍剩余的成分。表面結構可通過濾波分離為粗糙度和波紋度成分，也可作為原始輪廓進行評定，粗糙度指的是表面結構中的高空間頻率成分，波紋度指的是表面結構中的低空間頻率成分，輪廓和區(qū)域表征步驟分別按1和圖2進行。輪廓法表面結構表征流程區(qū)域法表面結構表征流程4）給出了增材制造金屬粉末床熔融制件表面結構測量時的重要參數(shù)。A．輪廓法觸控筆儀器是用于表面測量的最古老和最常用的技術之一，包括在增材制造中的應用，該儀器利用探針和被測表面之間的機械接觸。當沿著剖面穿過表面時，換能器將觸控筆的垂直運動轉換為電信號，該電信號可由計算機編碼為測量數(shù)據。由于觸控筆與表面的相互作用可以更容易地建模，接觸式觸控筆儀器通常被認為是可追溯的(如果校準)。測量時的主要參數(shù)有觸針運動方向、掃描速度和測量間隔、取樣長度和評定長度。B．光學法——相干掃描干涉法儀相干掃描干涉法儀是通過對光路長度范圍掃描獲得干涉條紋變化，得到表面形貌圖像，其光源通常為白光。測量時的主要參數(shù)有物鏡放大倍數(shù)、帶寬、采樣方式、光源類型等?！兘谷S表面測量儀變焦三維表面測量儀是通過在光學顯微鏡中表面圖像的銳度（或在最佳焦點處反射光的其他特性）確定表面各位置的高度。測量時的主要參數(shù)有物鏡放大倍數(shù)、分辨率及光源類型等?！簿劢谷S表面測量儀共聚焦三維表面測量儀是通過將光源照明的針孔借助透鏡成像在被測表面，并將反射回的光線借助透鏡照射到位于探測器前的第二針孔內，形成一空間頻率濾波器，通過測量光強變化，得到表面形貌圖像。測量時的主要參數(shù)有光線強度和增益、物鏡、垂直步長高度、閾值、掃描模式及采樣間距。C．X射線計算機層析成像法隨著增材制造工藝技術的成熟及應用端對復雜結構的需求，所制造的增材制造件越來越復雜。因此，無法采用觸針法及光學方法對增材制造件的內表面粗糙度進行檢測。為此，近年來，工業(yè)CT法也在增材制造件內表面粗糙度的檢測中得到應用。X射線計算機層析成像法是一種構建零件三維模型測量的方法，通過圍繞一個旋轉軸獲取許多X射線圖像，再重建一個三維模型，常被認為能夠實現(xiàn)表面測量所需的橫向分辨率。測量時的主要參數(shù)有幾何放大倍數(shù)、投影設置、X射線電壓、X射線電流及X射線預濾波器。5）明確了增材制造金屬粉末床熔融復雜結構件表面結構測量時測量尺寸的確定方法。測量尺寸取決于感興趣特征的最大尺度，單次測量尺寸將受到視場大小的限制，視場拼接可擴大測量尺寸，但會增加時間，預期的測量尺寸可以通過L-濾波器或與表面特征的關系來選擇，通常與這兩個因素都有關。對于依賴于特征的測量，測量尺寸應至少是測量對象（如顆粒大小、熔池寬度或層厚等特征）寬度或其他相關特征的三倍。6）明確了增材制造金屬粉末床熔融制件表面結構表征時濾波的選擇方法輪廓法和區(qū)域法表征時濾波器值截止值的選擇宜按ISO/ASTM52902的規(guī)定進行。輪廓法表征時如未給出采樣長度，可基于以下2種方法進行高通濾波器截止值的選擇：基于穩(wěn)定性的方法。按GB/T10610-2009中7.2節(jié)的方法進行或以某截止值開始向上或向下調整，直到某個表征參數(shù)相對穩(wěn)定?；谔卣鞯姆椒ā；诟信d趣的特征（如顆粒大小、熔融軌跡寬度或層厚度等）進行選擇，建議濾波器截止值至少為感興趣區(qū)域特征的3倍。區(qū)域法表征時，高通濾波器截止值的選擇可參考輪廓法表征中的相關規(guī)定，并結合GB/T33523.3進行選擇。7）明確了增材制造金屬粉末床熔融制件表面結構測量時的適宜表征參數(shù)增材制造表面結構與傳統(tǒng)鑄/鍛表面結構有很大的差異，GB/T3505和GB/T33523.2給出了表面結構表征的所有參數(shù)，但究竟哪些參數(shù)適宜于對粉末床熔融制件表面結構進行表征亟需確定。本標準依據ISO/ASTM52902:2023及該工藝表面結構測量的文獻調研和試驗驗證給出了表面結構表征時的適宜參數(shù)。表1建議的測量參數(shù)輪廓法區(qū)域法Ra；Rz；Rsk；Rku；Rp；Rv；RqSa；Sz；Ssk；Sku；Sp；Sv；Sq增材制造制件表面結構不均一且存在粘附顆粒等缺陷，因此，建議采用多個參數(shù)對表面結構進行表征。8）明確了不同測量技術的數(shù)據處理方法針對輪廓法和區(qū)域法應基于GB/T3505和GB/T33523.2對獲取的初始表面進行處理以獲得表面結構參數(shù)值，同時，記錄過程中數(shù)據處理的相關信息，如非測量點和異常點的處理方法，濾波器類型及截止值等。工業(yè)計算機層析成像法的數(shù)據處理應基于其自帶的軟件如VG、avzio等對原始掃描數(shù)據進行重建、并進行表面定義，然后提取表面數(shù)據并轉化為三角面片格式后導入可進行粗糙度分析的軟件，再據圖1和圖2進行粗糙度或波紋度分析獲取相關的測量參數(shù)。三、主要試驗（或驗證）情況在編制過程中，工作組成員對激光粉末床熔融工藝的鈦合金零件的不同表面進行了測量表征，證明了觸針法、光學法及X射線計算機層析成像法的可行性。方法1：輪廓法所用設備為三豐粗糙度測試儀，所測金屬制件為激光粉末床熔融的鈦合金件（見圖1），輪廓法測試結果見表2。表2輪廓法粗糙度測量一、試樣材質及其牌號高溫合金GH4169外形尺寸80mm×45mm×30mm成形熱源激光成形方向Z向測試面□上表面□下表面√側表面（90°豎直面）試樣前處理打印成形后，未打磨，使用120目白剛玉吹砂后，進行電化學拋光。外觀照片二、測試方法及設備接觸法√接觸式（觸針）設備名稱時代之峰粗糙度儀規(guī)格型號TIME3231垂直量程最大800μm系統(tǒng)分辨力滿量程時12nm顯示分辨率0.001μm最大行程40mm三、檢測工藝參數(shù)及試驗過程描述（依據不同方法來確定）檢測工藝參數(shù)取樣長度：2.5mm，評定長度：2.5×2mm，濾波器：Gauss，量程：1000μm，C值設定HSC：mrcPc，參數(shù)：見測試結果，傳感器：TIMES241。2.試驗過程描述：待測區(qū)域擺放水平，點擊開始，自動測粗糙度。數(shù)據處理過程描述：自動測量粗糙度，自動濾波處理數(shù)據。是否重測/復測□是√否同一表面測量次數(shù)1次測量位置/區(qū)域數(shù)1處四、測試結果（Ra，Rpk，Rsk和Rku及Sa，Sq，Sz，Ssk等參數(shù)）Ra/μm3.270Rt/μm20.30Rsk0.316Rs/mm0.043Rp/μm10.16Rz/μm19.82Rku2.374RSm/mm0.202Rv/μm9.665Rq/μm3.980Rc/μm8.972Rpc/(pks/cm)48.00方法2：光學法——自動變焦三維表面測量儀所測制件為激光粉末床熔融制備的鈦合金，如圖1所示。圖1自動變焦法測試時的測量試樣所用設備的最佳垂直分辨率為10nm，最佳水平分辨率為0.44μm。放大倍率為20X。圖2自動變焦顯微鏡測試結果圖——共聚焦三維表面分析儀。圖3激光共聚焦三維表面分析儀測試時的試樣（H13模具鋼）數(shù)值孔徑：0.15 分辨率：垂直：0.5納米；橫向：1納米光源類型：激光波長405納米、0.95毫瓦；測量尺寸100X100毫米視場直徑：16-5120微米 圖4上部頂面的測量結果圖 ——相干掃描干涉儀圖5相干掃描干涉法測試時的試樣（Ti-6Al-4V）工藝參數(shù)：L濾波器100μm，S濾波器5μm?？紤]到增材制造表面的復雜性。進行了10個區(qū)域的測量，測量結果：上表面Sｑ：21±2μmSdq：1.1±0.1μm方法3：X射線工業(yè)計算機層析成像法所用設備為依科視朗FF35T，所測制件為激光粉末床熔融制備的鈦合金點陣結構。圖6基于工業(yè)CT的表面粗糙度測量實例。a）CT圖像（橫截面）；b）二值化圖像的輪廓識別；c）粗糙度結果（X射線計算機層析成像法）四、標準中涉及專利的情況本標準未涉及專利。五、預期達到的社會效益、對產業(yè)發(fā)展的作用等情況1）有助于增材制造企業(yè)對制造工藝的掌握，促進產品出現(xiàn)問題的改善，或做降低成本等方面的改進；2）有助于增材制造產品的表面質量比較，作為供需雙方質量驗收的測試方法依據；3）為增材制造技術產業(yè)化提供商業(yè)便利，促進該行業(yè)快速健康發(fā)展；4）易于同國外產品對標，通過增材制件粉末床熔融制件表面結構的測量與表征對比國內外產品的差異性，尋找產業(yè)發(fā)展的突破口，為工藝和設備的改進做出貢獻；5）為增材制造產品的標準化發(fā)展提供基礎依據，促進今后表面質量評價指標與體系的建立。六、與國際、國外對比情況本標準將現(xiàn)有金屬粉末床熔融制件表面結構的測量與表征方法和用戶的要求相結合，填補了我國增材制造粉末床熔融制件表面結構的測量與表征無具體