专家访谈：Expanse Microtechnologies 的 James Hinebaugh

材料和零件检查是增材制造过程中的一个重要阶段——但它并非没有挑战。特别是对于航空航天、医疗或汽车行业的应用，确保零件完美无缺、没有隐藏缺陷至关重要。然而，孔隙率、空隙和夹杂物等问题，特别是对于金属部件，很容易区分打印成功与否。虽然有多种方法可以验证材料和零件的质量，但很少有人能够检测到零件内部深处的问题。

X 射线 CT 扫描技术很可能是材料检测的解决方案和增材制造零件。 Expanse Microtechnologies 是一家帮助制造商使用其专有的微尺度 X 射线 CT 技术优化 3D 打印的材料、零件和制造工艺的公司。我们与 Expanse Microtechnologies 总裁兼联合创始人 James Hinebaugh 进行了交谈，了解其创新技术如何帮助公司完善其制造流程。

您能告诉我们一些有关 Expanse Microtechnologies 的信息吗？

Expanse Microtechnologies 是一家帮助制造商回答有关其材料和制造工艺问题的公司。我们使用尖端的检测工具来解决增材制造和其他先进制造领域的关键问题。

在工业界，您有快节奏的研究需求，这意味着您迫不及待地等待与学术实验室达成研究协议。 Expanse Microtechnologies 架起了工业界和学术界之间的桥梁。我们的目标是将学术实验室的工具带给工业客户，特别是专注于一种称为微尺度 X 射线 CT 的技术。

您为什么决定共同创立这家公司？

我们受到增材制造行业的启发。我们看到该行业存在紧迫的问题，但市场上没有任何出色的工具可以帮助公司回答这些问题并优化其制造流程。对我们来说，CT 就是解决方案——我们希望利用我们的 CT 专业知识，将其应用于 AM 领域，并提供快速但非常专注的解决方案，以帮助公司回答关键的制造问题。

什么是微型 X 射线 CT，它是如何工作的？

微型 X 射线 CT 允许您对高级材料和零件进行内部和外部 3D 检查。您还可以表征几乎无穷无尽的几何特征、缺陷属性，并确定零件的打印或制造情况。这种技术有一个巨大的学习曲线，这就是为什么很少有服务局为 CT 提供任何类型的服务，而且大多数不提供与您建立关系时能够找到的相同工具学术研究实验室。

我们开发了先进的图像处理方法来从 3D 图像中提取某些信息。由于这些图像的大小可能有几 GB，我们的工作是以易于理解的方式呈现这些信息，以便我们的客户可以清楚地看到他们的问题所在。

我们从 CT 扫描生成一份报告，提供此高级信息并访问更深入的数据，因此您可以找到零件位置与缺陷之间的相关性，以及这些缺陷的形状、大小和分布。

为什么 X 射线 CT 对制造过程如此重要？

CT 扫描提供了无法通过其他方式获得的三维信息集。类似于显微镜，您可以放大到微米和亚微米级别并回答关键问题。此外，您可以回答有关零件内部无法访问的特征的问题——否则，如果不破坏零件，就不可能做到这一点。

通过CT扫描，您可以清楚地看到您制造的零件或测试工件的横截面。这就像能够将您的零件反复切成两半，切片之间的距离只有几微米。

这会产生大量的三维信息，这对于了解您的零件内部发生的情况至关重要。另一种方法是只取一个物理横截面：但在这里，你必须猜测它在物理平面上方和下方的样子，或者希望这是一个有代表性的平面。使用 CT，您不仅可以看到该横截面，还可以看到数以千计的其他横截面，并了解代表性横截面的实际外观。我们还可以看到相关性；例如，有孔隙的地方也经常有表面缺陷，我们可以将其与我们首先插入打印的参数和刀具路径联系起来。

你能解释一下吗？您的软件与市场上的同类软件有何不同？

我们的软件是定制的。这意味着我们有很大的自由来决定我们的起点和需要回答的问题，这样我们就可以从我们想要的任何角度解决问题。

一个例子：在表面粗糙度的情况下，我们正在开发一种工具来进行 CT 扫描并匹配材料和零件的任何轮廓。然后我们可以找到一个轮廓，将其提取出来并测量该轮廓的粗糙度。目前，其他软件包并不适合这样做，因为 CT 对表面粗糙度的要求并不高——但在增材制造中却有。我们可以看到这种需求，对其做出反应并创建一个工具来回答这些问题。 我们需要两到三周的开发时间才能做到这一点并创建一个可重复的流程。到时候，就可以出发了。

对于大型商业软件包，您首先需要市场压力并确保有足够的市场潜力来创建用户友好的分析包，以便在开发和发布任何东西之前回答这些问题。这几个月的交货时间，如果不是几年，而对我们来说，只需要几周的时间来弄清楚如何根据客户的特定需求创建解决方案并实施它。

您正在帮助哪些类型的公司？

我们实际上正在处理增材制造的整个供应链。例如，我们正在与粉末制造商合作，扫描粉末以确定是否存在任何孔隙，或者是否存在对构建部件的质量和强度特性至关重要的有趣的形状分布和尺寸分布。

就机器制造商而言，许多公司希望在过程监控或材料特性的本地控制方面为其现有机器添加某些功能。这需要大量的迭代测试，这就是我们开发自定义工具的原因，以便他们可以在需要时跟踪重要指标。

我们还与服务机构合作，他们经常处理新粉末、尝试调试新机器或想更好地了解他们的印刷重复性、孔隙来自何处以及其他关键问题。

最后，我们的客户正试图将只能通过增材制造才能实现的产品推向市场。例如，这些可能是制造医疗植入物的公司——我们甚至有一个客户试图使用增材技术打印整个火箭！我们非常渴望与这些公司合作，因为他们是我们未来真正想要支持的人——我们希望给他们信息，让他们能够控制。

这些客户面临的主要挑战是什么？

粉末是整个增材制造供应链的关键点。了解是什么造就了一种能够很好地铺展和印刷的优质粉末是公司的一个关键问题。这里有很多变量，不仅在不同的粉末之间，而且在不同的机器之间。您确实需要均匀、均匀的厚度和密度粉末层来分布在粉末床打印技术中，否则您的粉末过多或过少都会分别导致缺乏融合或过度熔化。

重要的是要了解 1) 是否存在可以与各种重涂机和打印机良好交互的理想形态或理想尺寸或形态分布，以及 2) 我们如何减少粉末中的缺陷，如夹杂物和颗粒内孔隙率，研究表明，在打印过程中，经常被困在零件中并且无法逃脱零件。

另一个更具实验性的兴趣点是知道如何处理您的机器上已经可用或将可用的所有进程内监控数据。 CT 将在将该数据处理为加工中部件和构建检查方面发挥关键作用。大学和机器制造商对解决这个问题非常感兴趣——但可以肯定的是，机器学习和计算机视觉等许多高级技术将发挥关键作用。这绝对是我会密切关注的事情，我们正在准备并与合适的合作伙伴合作，以站在该研究的最前沿。

您能分享一个客户成功案例的例子吗？

我们的一个客户正在制造一种医疗设备——一种钛印刷的脊柱夹，植入到身体。他们创造了一个非常创新的解决方案，只有通过增材制造才有可能。

然而，他们打印的第一个原型无法正常工作。这些部件本来应该可以灵活打印，以便在植入过程中进行调整——但它们被打印出来是刚性的。在不知道在哪里将零件切成两半的情况下，他们不知道印刷品在哪里被额外的材料或两个相互接触的相对墙壁上的表面粘住了。

在他们向我们发送零件后的两周内，我们能够对其进行扫描并提供他们所需的视觉效果，以确定发生机械问题的位置。这使他们能够快速确定他们需要对制造过程进行哪些更改。这只是更改构建文件和稍微更改构建方向的问题，以防止创建绑定的点具有不需要的材料连接。

所以很快他们就有了下一次印刷的解决方案，不需要为他们开发大量的新分析工具。它所需要的只是熟悉增材制造过程的人员和正确的检查能力来帮助他们。我们很快就让他们进入了下一个设计阶段。

您如何看待增材制造的发展？

我很高兴公司在未来采用 AM 变得越来越容易。现在，启动和运行并在您想要的水平上获得早期打印质量是一项非常繁琐的技术。我认为目前的进入障碍不仅与成本有关，还与大量的时间投入有关。所以我很高兴像 CT 的智能使用、开发的过程中监控以及主要研究实验室向我们提供的关于该过程的理解将消除这些障碍，降低机器和粉末的价格并减少时间投入需要开始使用增材制造。

此外，目前美国联邦航空局和 FDA 对打印的零件有严格的规定，无论是航空航天还是医疗。目前，如果您拥有通过 FAA 认证和批准的零件，则必须使用完全相同的材料在同一台打印机上打印该零件，不得进行任何更改。如果有任何变化，您几乎总是必须回到原点并重新验证整个过程。

我们正在积极尝试通过标准化跟踪机器质量的方法来帮助解决这个问题，帮助比较机器到机器和粉末到粉末的打印行为，因此有一种方法可以缩短重新认证过程。因此，如果您需要在五台新机器上打印一个零件，则不会花费原始资格认证工作的五倍。需要开发捷径，以便在该行业领域成为一种更加流畅的制造技术。

有什么最后的想法吗？

我们很乐意感谢为我们的成功做出贡献的两个主要合作伙伴。一个是滑铁卢大学多尺度增材制造 (MSAM) 实验室，由 Ehsan Toyserkani 和 Mihaela Vlasea 领导。他们已经能够向我们展示增材制造的需求，并允许我们使用他们的 AM 和 CT 设备。

第二个是与 The Barnes Group Advisors 合作，我们正在与他们合作开发用于打印和 CT 检查的标准工具。该集团拥有将增材制造过程集成到生产中的专业知识，以及与此相关的质量和检验要求。 Barnes Group 顾问知道 CT 是一种重要的检查工具，可用于了解如何制造零件以及如何随着时间的推移跟踪零件质量。

要了解有关 Expanse Microtechnologies 的更多信息，请访问 https://www.expansemicro.com